Persyaratan Umum Instalasi Listrik 2011 Amandemen 1

Persyaratan Umum Instalasi Listrik 2011

Persyaratan Umum Instalasi Listrik (PUIL) 2000

earthing tester

Prinsip kerja OLTC

Cara mengambil sample oil trafo

Part Pertama Part Kedua Part ke tiga Part ke empat

video current transformator

Pengujian Karakteristik Minyak Isolasi Trafo

Latar Belakang

• Didalam transformator ada dua bagian yang secara aktif membangkitkan panas yaitu tembaga (kumparan) dan besi (inti). Panas-panas itu bilamana tidak disalurkan atau diadakan pendinginan, akan menyebabkan tembaga atau besi itu mencapai suhu yang terlampau tinggi, sehingga bahan-bahan isolasi yang ada pada tembaga (kertas minyak) akan menjadi rusak.
• Untuk hal ini kebanyakan dilakukan dengan memasukkan inti maupun kumparan ke dalam minyak yaitu suatu jenis minyak tertentu yang dinamakan minyak isolasi (trafo).

Jenis minyak trafo

• Minyak trafo mineral: Minyak yang berbahan dasar dari pengolahan minyak bumi yaitu antara fraksi minyak diesel dan turbin yang mempunyai struktur kimia yang sangat kompleks.
• Minyak trafo sintetis (askarel): Minyak jenis ini mempunyai sifat lebih menguntungkan antara lain tidak mudah terbakar dan tidak mudah teroksidasi. Namun beracun dan dapat melukai kulit.

Minyak Mineral	Minyak Sintetis
Diala C, B (USA) Univolt (Esso) Nynas (Swedia) Mictrans (Jepang) Sun Ohm-MU (Korea) Petromin (Dubai) BP-Energol (UK)	Aroclor (USA) Clopen (Jerman) Phenoclor (Perancis) Pyroclor (UK) Fenclor (Itali) Pyralene (Perancis) Pyranol (USA)

Persyaratan Minyak Sebagai isolasi

• Viskositas yang rendah untuk mempermudah sirkulasi
• Titik nyala yang tinggi untuk mencegah terjadinya kebakaran
• Bebas asam untuk mencegah karat dari tembaga dan kerusakan pada isolasi belitan
• Tidak bersifat korosif
• Tahan terhadap oksidasi
• Mempunyai kekuatan dielektrik (tegangan tembus) yang tinggi
• Tidak mengandung sedimen

Tingkatan standar minyak trafo

No.			Standar
1.		IEC	International standard
2.		BS, ASTM, JIS, SNI	National specifications
3.		ABB, GEC-Ahlstom, Unindo	Transformer producer specifications
4.		TNB, PLN	Power distributor specifications

Pengujian minyak isolasi
Harga suatu transformator adalah mahal, tetapi memantau unjuk kerja sistem transformator melalui kondisi minyak tidak mahal dibanding dengan biaya jika transformator mengalami kegagalan (failure). Dengan demikian masa hidup transformator diharapkan lama kira-kira 40 tahun, bahkan dengan minyak trafo yang kualitasnya sangat baik diharapkan setara dengan masa hidup transformator.
Menurut studi yang dilakukan US Inspection and Insurance Companies, bahwa 10 % kegagalan transformator tenaga adalah karena deteriosasi bahan isolasi dan kegagalan internal "over load" dalam lilitan tegangan tinggi yang disebabkan bertambahnya deposit/ sludge.
Untuk itu pemantauan dan pemeliharaan kualitas minyak adalah sangat penting guna menjamin keandalan operasi peralatan listrik khususnya transformator, dan para ahli yang berwenang telah menetapkan petunjuk dalam bentuk standar uji dan spesifikasi teknik seperti IEC, ASTM, BS dll.

1. Minyak trafo baru (Unused mineral insulating oil) IEC 60296-2003
2. Minyak trafo pakai (Mineral oil in service) SPLN 49-1:1982 IEC 422:1982 diperbahurui menjadi IEC 422:1989

Ruang lingkup pengujian

Kimia	Fisika	kelistrikan
Keasaman Kadar air Ketahanan oksidasi Korosi lempengan tembaga Sedimen	Viskositas Densitas Titik nyala Tegangan antar muka Titik tuang	Tegangan tembus Tahanan jenis Faktor kebocoran dielektrik, tan delta

Batasan Minyak Isolasi Baru IEC 60296-2003

No.	Parameter uji	Batasan
1.	Fungsi
1.1	Viskositas pada 40 oC	Max. 12 cSt
1.2	Titik tuang	Max. – 40 oC
1.3	Kadar air	Max. 30 mg/kg
1.4	Tegangan tembus : - Sebelum treatment - Setelah treatment	Min. 30 kV /2.5mm Min. 70 kV /2.5mm
1.5	Densitas pada 20 oC	Max. 0,895 g/ml
1.6	Faktor kebocoran dielektrik, tan d pada 90 oC	Max. 0,0005
2.	Stabilitas
2.1	Keasaman	Max. 0,01 mg KOH/kg
2.2	Tegangan antar muka	Min. 40 dyne/m
2.3	Korosif sulfur	Tidak korosif
2.4	Kadar sulfur	Tidak disyaratkan
2.5	Aditif anti oksidan	U: Tidak terdedeksi T: Max. 0,08 % I: 0,08 % - 0,4 %.
2.6	Kadar furfural	Max. 0,1 mg/kg
3.	Unjuk kerja
3.1	Ketahanan oksidasi : - Sedimen - Keasaman - DDF at 90oC	Max. 0,8 % Max. 1,2 mg KOH/g Max. 0,500
3.2	Gassing tendency	Tidak disyaratkan
4.	Keamanan
4.1	Titik nyala	Min. 135 oC
4.2	PCA	Max. 3 %
4.3	PCB	Tidak terukur

Batasan Minyak Isolasi Bekas Pakai IEC 422:1989

No.	Parameter	Batasan
1	Tegangan tembus	50 kV untuk tegangan > 170 kV 40 kV untuk teg. 70 – 170 kV 30 kV untuk tegangan < 70 kV
2	Kadar air	< 20 mg/kg untuk > 170 kV < 30 mg/kg untuk < 170 kV
3	Angka kenetralan (keasaman)	0,5 mgKOH/g
4	Sedimen	Tidak terukur ( > 0,02% )
5	Tahanan jenis	Min. 1 G Ω.m
No.	Parameter	Batasan
6	Faktor kebocoran dielektrik Tg delta pada 90 oC	Max. 0,2 untuk tegangan > 170 kV Max. 1,0 untuk tegangan < 170 kV
7	Tegangan permukaan	Min. 15 dyne/cm
8	Kandungan gas	IEC 577 dan IEC 599
9	Titik nyala	Max. penurunan 15 oC

Masalah Masalah Hasil Pengujian

1. Teknik sampling tidak sesuai prosedur (50%)
2. Human error
3. Kesalahan analisis

Uji Viskositas
Viskositas adalah suatu ukuran dari besarnya perlawanan yang diberikan oleh minyak untuk mengalir, atau ukuran dari besarnya tekanan geser bagian dalam dari suatu bahan cair. Bila suhu naik maka viskositas akan turun. Uji viskositas hanya dilakukan untuk minyak isolasi baru. Metoda yang dipakai mengacu pada ISO 3104.
Uji Densitas
Densitas adalah berat masa minyak per satuan volume (kg/l) pada suhu 20 ^oC. Uji ini dilakukan hanya untuk minyak minyak isolasi baru. Metode uji densitas mengacu ke standar ISO 3675
Uji titik nyala
Titik nyala adalah adalah suhu terendah dimana uap minyak mulai menyala. Metoda ini dipakai untuk mendeteksi kontaminasi minyak yang berupa bahan bahan yang mudah menguap. Titik nyala rendah mengindikasikan terdapat kandungan yang bersifat volatile combustible. Titik nyala diuji dengan sistem Closed Cup dan mengacu pada standar ISO 2719
Uji tegangan antar muka
Metode ini mencakup pengukuran pada kondisi ketidak seimbangan tegangan antara permukaan minyak mineral yang berlawanan dengan air. Indikasinya ditunjukkan dengan adanya kontaminasi hasil dari oksidasi minyak. Pengujian mengacu pada standar ISO 6295.
Uji warna
Warna adalah banyaknya intensitas sinar yang diteruskan dan dinyatakan dengan angkan yang berdasarkan perbandingan terhadap sederetan standar warna. Bertambahnya intensitas warna menunjukkan bahwa minyak telah terkontaminasi. Metode uji yan dipakai adalah ASTM D 1500.
Uji titik tuang
Titik tuang adalah suhu terendah dimana minyak dapat mengalir pada saat didinginkan dan kondisi suhu tertentu. Sesuai standar pengujian mengacu ke standar ISO 3016.
Uji keasaman (angka kenetralan)
Keasaman (angka kenetralan) dalam minyak isolasi menunjukkan adanya kontaminan hasil oksidasi yang bersifat asam. Uji ini sangat dibutuhkan untuk suatu penggantian minyak. Pengujian mengacu ke standar IEC 296:1982 dan 296: 2003
Uji sedimen
Sedimen merupakan kontaminan pada minyak pakai dan terjadi karena proses oksidasi, pengujian mengacu ke standar IEC 422.
Uji Kadar air
Kandungan air dalam minyak isolasi berasal dari udara (atmosfir), diuji dengan metoda Karl Fisher Coulometric dan mengacu pada standar IEC 814.
Uji oksidasi
Uji ketahanan oksidasi adalah peristiwa oksidasi minyak dengan kondisi dan waktu tertentu atau ukuran baik tidaknya (ketahanan) suatu minyak trafo baru terhadap oksidasi. Dalam proses ini akan menghasilkan sedimen dan asam. Pengujian mengacu kestandar IEC 74.
Uji korosi kepingan tembaga
Uji korosi kepingan tembaga adalah suatu uji kemampuan minyak isolasi untuk mengakibatkan korosi pada kepingan tembaga dengan waktu dan suhu tertentu. Dengan adanya korosif senyawa sulfur yang merugikan akan menghasilkan deteriosasi pada logam yang besarnya tergantung pada jumlah dan tipe korosif, waktu dan suhu. Pengujian mengacu ke standar ASTM 1275 B.
Uji tegangan tembus
Tegangan tembus adalah tegangan dalam kV yang diperlukan untuk menembus lapisan minyak setebal 1 cm diantara 2 buah elektroda dan dinyatakan dalam kv/cm dalam kondisi suhu kamar. Tegangan tembus yang rendah menunjukkan adanya kontaminasi seperti air, kotoran atau partikel yang tidak dikehendaki. Metode uji yang dipakai adalah standar IEC 156.
Uji DGA (Dissolved Gas Analysis)
Metode ini mencakup ekstraksi dan pengukuran gas-gas terlarut dalam minyak isolasi. Gas-gas tersebut dihasilkan dari hasil oksidasi yang berasal dari minyak isolasi dan kertas (selulosa) seperti hidrogen, metan, etan, etilen, asetilen, karbon monoksida, karbon dioksida. Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui kondisi dan gangguan (fault) yang terjadi pada operasional trafo.
Gangguan yang terjadi pada trafo yaitu :

• Thermal fault < 300 ^oC, 300 – 700 ^oC dan > 700 ^oC
• Electrical fault ( partial discharge, low energi discharge/ sparking & high energy discharge/ arcing ).

Standar acuan : ASTM 3612 & IEEE C 57

UJI FAKTOR KEBOCORAN DIELEKTRIK TAN d PADA 90 ^oC DAN TAHANAN JENIS PADA 90 ^oC

Faktor kebocoran dielektrik sangat terpengaruh oleh adanya kontaminan,dan sedimen hasil oksidasi atau koloid. Pengujian dilakukan pada suhu 90 ^oC pada minyak baru ataupun minyak pakai dan mengacu pada standar IEC 247.
Klasifikasi Minyak Isolasi Pakai
KATEGORI 1: Kondisi minyak isolasi sangat memuaskan untuk meneruskan operasi, semua parameter dibawah limit yang direkomendasikan IEC 422-1989
KATEGORI 2: Kondisi minyak isolasi perlu untuk dilakukan reconditioning ( purifier/ vacum filter). Indikasinya kadar air tinggi, tegangan tembus rendah dan parameter yang lain memuaskan
KATEGORI 3 : Kondisi minyak isolasi perlu dilakukan reclaiming, Indikasinya parameter keasaman dan faktor kebocoran dielektrik sudah tinggi.
KATEGORI 4: Kondisi minyak isolasi sudah tidak memenuhi spesifikasi sebagai minyak isolasi pakai dan tidak bisa digunakan lagi.

Pengujian HIPOT

Berikut adalah step-step dan prosedure melakukan HV test berdasarkan technical practise dan pengalaman :

1. Persyaratan Umum
- HV test harus dilakukan oleh authorized personel
- Safety officer dan commissioning personel harus menyaksikan dan memverifikasi
- Semua personel yang terlibat harus mendapatkan ijin masuk site

2. Tujuan
- Tujuan HV test adalah untuk mengetahui jika terdapat kebocoran arus pada saat test tegangan tersebut.

3. Persiapan
- Peralatan uji HV harus ditempatkan di sisi Switchgear yang akan di test.
- Kabel MV harus dilepas dari Terminal MV dan busbar harus diisolasi dari Main CB,VTS, arrester Surge, kontrol Kabel.
- Semua terminal sekunder CT harus dilepas da diisolasi.
- Amankan daerah pengujian dengan tanda keselamatan (papan peringatan / klakson/ dsb).
- Pastikan wilayah pengujian bersih.
- Sediakan Power Supply untuk alat uji Hi-pot.

4. Langkah-langkah pengujian
- Siapkan gambar dan alat-alat.
- Keselamatan Koordinasi dengan personil yang terlibat tentang lingkup pekerjaan.
- Lepaskan semua peralatan yang dapat rusak dengan uji HV
- Amankan daerah benda uji untuk safety.
- Pastikan wilayah pengujian bersih.
- Lakukan test Tahanan Isolasi selama 1 menit per titik uji sebelum uji HV.
- Discharge tegangan sisa pada Obyek ke tanah menggunakan grounding stick.
- Lakukan DC / AC HV test dan peningkatan tegangan perlahan-lahan. Pantau Kebocoran pada interval sampai nilai uji nominal tercapai.
- Tegangan Nominal DC Hi-pot adalah 3 x Un (Phasa ke Netral), durasi 10 menit per titik uji. Mengacu pada IEC-60298, IEC-60694.
- Tegangan Nominal untuk AC tes Hi-pot adalah 80% dari nilai tegangan pada objek, durasi 10 menit per titik uji. Lihat IEC 62271-200: 2003.
- Catat nilai kebocoran arus setiap 1 menit.
- Setelah 10 menit, kurangi tegangan rendah perlahan sampai nol dan kemudian matikan tes HV.
- Discharge tegangan sisa pada Obyek ke Ground menggunakan grounding stick.
- Lakukan test Tahanan Isolasi untuk 1 menit per titik uji setelah pengujian HV.
- Discharge tegangan sisa pada Obyek ke tanah menggunakangrounding stick.
- Catat semuanya pada form yang telah disediakan..

Done, jangan lupa untuk merapikan semuanya kembali.

Mengenal Karakteristik Batterai - Bagian Kedua

Laju Pemakaian

Kurva pemakaian sel ion lithium dibawah menunjukkan bahwa kapasitas efektif sel turun jika sel dipakai pada laju yang sangat tinggi (atau sebaliknya meningkat dengan laju pemakaian kecil). Ini disebut kapasitas pengimbang dan efeknya biasa dijumpai pada hampir semua kimia sel.

Beban baterai

Kinerja pemakaian baterai tergantung pada beban baterai yang harus dipasok. Jika pemakaian berlangsung pada periode lama selama beberapa jam seperti dengan beberapa aplikasi laju tinggi seperti mobil listrik, kapasitas efektif baterai bisa jadi sebesar dua kali kapasitas yang ditetapkan pada laju C. Ini bisa merupakan hal terpenting ketika merancang ukuran baterai mahal untuk pemakaian daya tinggi. Baterai elektronika konsumen kapasitas daya rendah umumnya dispesifikasi untuk pemakaian pada laju C sedangkan SAE menggunakan pemakaian pada periode diatas 20 jam (0,05C) sebagai kondisi standar untuk mengukur kapasitas Ah baterai mobil. Grafik dibawah menunjukkan bahwa kapasitas efektif baterai asam timbal pemakaian dalam hampir dua kalinya ketika laju pemakaian diturunkan dari 1,0C menjadi 0,05C. Untuk waktu pemakaian kurang dari satu jam (Laju C tinggi), kapasitas efektif turun secara dramatis.

Keefektifan pengisian secara serupa dipengaruhi oleh laju pengisian.

Ada dua kesimpulan yang bisa ditarik dadri grafik ini:

• Perhatian harus dicoba ketika membandingkan spesifikasi kapasitas baterai untuk menjamin bahwa digunakan laju pemakaian yang sebanding.
• Dalam aplikasi otomotif, jika laju arus tinggi digunaka secara teratur untuk percepatan berat atau untuk tanjakan, jarak tempuh kendaraan akan berkurang.

Siklus beban

Siklus beban berbeda untuk setiap aplikasi. Aplikasi mobil listrik dan mobil listrik hibrida mengenakan beban variable khusus pada baterai. Baterai stasioner yang digunakan pada aplikasi penyimpan energy grid terdistribusi mungkin memiliki perubahan keadaan terisi yang sangat besar dan beberapa siklus per hari.

Penting untuk mengetahui berapa energi digunakan per siklus dan merancang untuk luaran energi maksimum dan pengiriman daya, bukan rata-ratanya.

Catatan: Sebagai informasi

• Mobil listrik kecil tipikal akan menggunakan antara 90 sampai 160 Wh energi per km dengan berkendara normal. Jadi, menempuh 100 km pada 120 Wh per km, akan dibutuhkan kapasitas baterai 12 kWh.
• Mobil listrik hibrida menggunakan baterai yang lebih kecil tetapi baterai tersebut  40C. Jika mobil menggunakan rem regenerasi baterai juga harus menerima laju pengisian yang sangat tinggi agar efektif.

Persamaan Peukert

Persamaan Peukert merupakan cara yang mudah untuk mencirikan perilaku sel dan mengkuantifikasi pengganti kerugian kapasitas dalam istilah matematika. Ini merupakan rumus empiris yang memperkirakan bagaimana kapasitas tersedia baterai berubah menurut laju pemakaian:

C = I n  T

dimana “C” adalah kapasitas teoritis baterai yang dinyatakan dalam Ah, “I” adalah arus, “T” adalah waktu dan “n” adalah bilangan Peukert, tetapan untuk baterai yang diberikan. Persamaan ini menunjukkan bahwa pada arus listrik yang besar, energy yang tersedia dalam baterai semakin kecil. Bilangan Peukert berhubungan secara langsung dengan hambatan internal baterai. Arus listrik yang lebih besar berarti semakin besar rerugi dan semakin kecil kapasitas tersedia.

Nilai bilangan Peukert menunjukkan seberapa bagus baterai berkinerja pada arus listrik berat terus menerus. Nilai yang mendekati 1 menunjukkan bahwa baterai berkinerja dengan baik; semakin besar bilangan, semakin besar kapasitas hilang ketika baterai dipakai pada arus listrik besar. Bilangan Peukert baterai ditentukan secara empiris. Untuk baterai asam timbal bilangan ini tipikalnya Antara 1,3 dan 1,4.

Grafik diatas menunjukkan bahwa kapasitas baterai efektif turun pada laju pemakaian terus menerus yang sangat besar. Namun dengan pemakaian yang terkadang berhenti, baterai mempunyai waktu untuk mengembalikan energi selama periode berhenti ketika suhunya juga akan kembali kearah tingkat ambient. Karena potensialnya untuk sembuh ini, pengurangan kapasitas lebih kecil dan efisiensi operasi lebih besar jika baterai digunakan tidak terus menerus seperti ditunjukkan oleh garis putus-putus.

Ini berkebalikan dengan perilaku mesin pembakaran dalam yang beroperasi paling efisien dengan beban tetap secara terus menerus. Dalam sudut ini daya listrik merupakan penyelesaian yang lebih baik untuk memberikan kendaraan yang terkena beban terputus-putus.

Plot Ragone

Plot Ragone berguna untuk mencirikan pertukaran Antara kapasitas efektif dan penanganan daya. Ingat bahwa plot Ragone biasanya didasarkan pada skala logaritma.

Grafik dibawah memnunjukkan densitas energi gravimetrik superior sel ion lithium. Ingat bahwa sel ion lithium dengan anoda lithium titanate (Altairno) mengirimkan densitas daya yang sangat besar pada densitas energi yang kecil.

Densitas daya dan energi – Plot Ragone

Plot Ragone dibawah membandingkan kinerja beberapa alat elektrokimia. Plot tersebut menunjukkan bahwa ultrakapasitor (superkapasitor) mampu mengirimkan daya yang sangat tinggi tetapi kapasitas penyimpanannya sangat terbatas. Sebaliknya, sel bahan bakar dapat menyimpan jumlah energi yang besar tetapi memiliki luaran daya yang relatif kecil.

Plot Ragone untuk alat elektrokimia

Garis dengan kemiringan pada plot Ragone menunjukkan waktu relatif untuk mendapatkan muatan listrik masuk atau keluar alat. Pada salah satu ekstrim, daya dapat dipompa masuk kedalam, atau diambil keluar dari, kapasitor dalam mikro detik. Ini membuatnya ideal untuk menangkap energi regeneratif pada aplikasi mobil listrik. Pada ekstrim yang lain, sel bahan bakar memiliki kinerja dinamis yang sangat jelek, memerlukan waktu  beberapa jam untuk menghasilkan dan mengirimkan energi. Ini membatasi aplikasinya pada aplikasi mobil listrik dimana sel bahan bakar sering digunakan secara bersamaan dengan baterai atau kapasitor untuk mengatasi masalah ini. Baterai lithium terletak diantaranya dan menyediakan kompromi yang masuk akal diantara keduanya.

Kinerja denyut

Kemampuan untuk mengirimkan denyut arus listrik tinggi merupakan salah satu syarat dari banyak baterai. Arus listrik yang membawa kapasitas sel tergantung pada luas permukaan efektif. Namun, batas arus dibatasi oleh laju dimana reaksi kimia terjadi dalam sel. Reaksi kimia atau “transfer muatan listrik” berlangsung pada permukaan elektroda dan laju awal ini bisa cukup tinggi ketika bahan kimia didekat elektroda dirubah. Namun, begitu ini terjadi, kecepatan reaksi menjadi terbatasi oleh kecepatan dimana bahan kimia aktif pada permukaan elektroda dapa diisi lagi oleh difusi melalui elektrolit pada proses yang disebut “perpindahan massa.” Prinsip yang sama berlaku untuk proses pemakaian. Dengan demikian, arus berdenyut dapat secara substansial lebih besar daripada laju C yang mencirikan kinerja arus terus menerus.

Umur Siklus

Ini merupakan salah satu parameter kunci kinerja sel dan memberikan indikasi umur kerja yang diharapkan dari sel.

Umur siklus didefinisikan sebagai jumlah siklus sebuah sel dapat bekerja sebelum kapasitasnya turun menjadi 80% dari kapasitas awalnya yang ditetapkan.

Setiap siklus pemakaian – pengisian, dan siklus transformasi terkait dari bahan kimia aktif yang ada, diikuti oleh perusakan lambat bahan kimia dalams sel yang tidak akan teramati oleh pemakai. Perusakan ini bisa akibat dari aksi kimia yang tak diinginkan dan tak dapat dicegah dalam sel atau pertumbuhan Kristal atau dendrite yang merubah morfologi partikel yang menyusun elektroda.Kedua peristiwa ini mungkin memiliki efek menurunkan volume bahan kimia aktif dalam sel, dan dari sini kapasitasnya, atau meningkatkan impedansi internal sel.

Ingat bahwa sel tidak mati secara mendadak pada akhir umur siklus yang ditetapkan tetapi melanjutkan kerusakan lambatnya sehingga sel tetap berfungsi normal kecuali kapasitasnya akan secara signifikan lebih kecil daripada ketika masih baru.

Umur siklus seperti yang didefinisikan diatas merupakan cara yang berguna untuk membandingkan baterai pada kondisi terkontrol, tetapi tidak memberikan indikasi terbaik umur baterai pada kondisi operasi sesungguhnya.Sel jarang dioperasikan pada kondisi siklus pemakaian – pengisian sempurna berturut-turut, sel sepertinya lebih banyak terkena pemakaian sebagian dengan berbagai kedalaman sebelum pengisian ulang sempurna. Karena jumlah energi yang terlibat lebih kecil pada pemakaian sebagian, baterai dapat mempertahankan jumlah siklus dangkal jauh lebih besar. Penggunaan siklus seperti itu tipikal untuk aplikasi mobil listrik hibrida dengan pengereman regeneratif. Umur siklus juga tergantung suhu, baik suhu operasi maupun suhu penyimpanan.

Ukuran yang lebih mewakili dari umur baterai adalah luaran energi umur hidup. Ini adalah jumlah total energi dalam Wh yang dapat dimasukkan dan diambil dari baterai pada semua siklus pada umur hidupnya sebelum kapasitasnya turun memnjadi 80% dari kapasitas awalnya ketika baru. Ini tergantung pada kimia sel dan kondisi operasi. Sayang sekali, ukuran ini belum biasa digunakan oleh pabrik sel dan belum diadopsi sebagai standar industri baterai. Sampai ini menjadi pemakaian umum, tidak mungkin menggunakannya untuk membandingkan kinerja sel dari pabrik yang berbeda dengan cara ini, tetapi ketika siap, paling tidak ini memberikan petunjuk yang lebih bermanfaat kepada insinyur aplikasi untuk memperkirakan unur baterai yang digunakan dalam perancangan.

Pemakaian Dalam (Deep Discharge)

Umur siklus turun dengan naiknya kedalaman pemakaian dan banyak kimia sel tidak akan mentoleransi pemakaian dalam dan sel bisa rusak secara permanen jika dipakai secara penuh. Konstruksi khusus sel dan campuran bahan kimia dibutuhkan untuk memaksimalkan potensial kedalaman pemakaian dari baterai siklus dalam.

Mengenal Karakteristik Batterai - Bagian pertama

Disini akan diuraikan parameter utama yang digunakan untuk mengkarakterisasi kinerja sel. Perhatian terhadap karakteristik ini penting untuk memilih baterai optimum untuk suatu aplikasi.

Baterai adalah sebuah alat yang merubah energi kimia yang terkandung dalam bahan aktifnya secara langsung menjadi energi listrik dengan cara reaksi elektrokimia. Alat ini telah menjadi bagian dari gaya hidup manusia modern sehari-hari karena tanpanya banyak alat yang setia menemani kita sehari-hari tidak berfungsi, mis.: HP, tablet, remote control, jam, dll. Banyak jenis baterai yang ada dipasaran, baik yang tidak dapat diisi ulang (primer) maupun yang dapat diisi ulang (sekunder), dengan berbagai jenis merek seperti ABC, Eveready, Panasonic, Sony, dsb. Baterai primer yang penting adalah baterai kering seng-karbon dan baterai alkaline. Baterai sekunder yang banyak beredar dipasaran antara lain baterai asam timbal (aki), baterai Nikel-Cadmium (NiCad), baterai Lithium-ion, dsb. Secara umum sebuah sel baterai dikemas dalam berbagai jenis kemasan, mis.: AA, AAA, C, D, coin, dsb., disesuaikan dengan dimana baterai tersebut digunakan.

Dalam memasarkan produknya, produsen baterai mungkin ada yang mengiklankan baterainya sebagai Long Life, High Capacity, High Energy, Deep Cycle, Heavy Duty, Fast Charge, Quick Charge, Ultra dan parameter lain yang tidak terdefinisi dengan baik. Hanya beberapa industri atau biro iklan yang mendefinisikan secara pasti apa arti dari masing-masing istilah tersebut. Kata-kata iklan seperti itu dapat berarti apa saja yang penjual inginkan. Terlepas dari rancangan dasar baterai, kinerja sebenarnya tergantung pada bagaimana baterai digunakan dan juga pada kondisi lingkungan dimana mereka digunakan. Namun, kondisi ini jarang diberikan spesifikasinya dalam iklan pemasaran. Bagi konsumen, hal ini bisa sangat membingungkan atau salah arah. Industri baterai sendiri tidak menggunakan istilah-istilah yang membingungkan tersebut untuk memberikan spesifikasi kinerja baterai dan spesifikasi umumnya meliputi pernyataan yang mendefinisikan atau membatasi operasi atau kondisi lingkungan didalam mana kinerja yang diklaim dapat diberikan.

Dalam uraian berikut, parameter kunci yang digunakan untuk mencirikan sel atau baterai akan diuraikan dan bagaimana parameter tersebut mungkin berubah dengan kondisi operasi akan ditunjukkan.

Kurva pemakaian (discharge)

Baterai telah dikembangkan untuk berbagai macam aplikasi menggunakan berbagai teknologi yang berbeda, yang menghasilkan berbagai macam karakteristik kinerja yang tersedia. Grafik-grafik dibawah ini menunjukkan beberapa faktor utama yang harus diperhitungkan oleh teknisi ketika membuat spesifikasi baterai agar cocok dengan kebutuhan kinerja dari produk akhir.

Kimia sel

Tegangan nominal sel galvanis ditentukan oleh karakteristik elektrokimia bahan kimia aktif yang digunakan dalam sel, yang disebut kimia sel. Tegangan sebenarnya yang tampak pada terminal pada sembarang waktu tertentu, tergantung pada arus beban dan impedansi internal sel dan ini berubah dengan suhu, keadaan muatan listrik (state of charge) dan dengan umur sel.

Grafik dibawah menunjukkan kurva pemakaian (discharge) untuk sel menggunakan beberapa kimia sel ketika dipakai pada laju 0,2 C. Ingat bahwa setiap kimia sel memiliki tegangan nominal karakteristiknya dan kurva pemakaiannya sendiri. Beberapa kimia seperti ion lithium memiliki kurva pemakaian yang agak datar sedangkan lainnya seperti asam timbal memiliki kemiringan yang jelas.

Daya yang diberikan oleh sel dengan kurva pemakaian miring turun secara progresif diseluruh siklus pemakaian. Hal ini dapat menimbulkan masalah untuk aplikasi daya tinggi kearah akhir siklus. Untuk aplikasi daya rendah yang membutuhkan tegangan catu stabil, mungkin perlu memberikan pengatur tegangan jika kemiringannya terlalu tajam. Ini biasanya tidak menjadi pilihan untuk aplikasi daya tinggi karena rerugi dalam pengatur tegangan bahkan akan merampok lebih banyak daya dari baterai.

Kurva pemakaian datar menyederhanakan perancangan aplikasi dimana baterai digunakan karena tegangan catu tetap konstan diseluruh siklus pemakaian. Kemiringan kurva menfasilitasi perkiraan keadaan terisi baterai karena tegangan sel dapat digunakan sebagai ukuran isi yang tersisa dalam sel. Sel ion lithium modern memiliki kurva pemakaian yang sangat datar dan metoda lain harus digunakan untuk menentukan keadaan terisi.

Sumbu X menunjukkan karakteristik sel yang dinormalisasi sebagai prosentase dari kapasitas sel sehingga bentuk grafik dapat ditunjukkan tidak tergantung pada kapasitas sel sesungguhnya. Jika sumbu X didasarkan pada waktu pemakaian, panjang setiap kurva pemakaian akan berbanding lurus dengan kapasitas nominal sel.

Karakteristik suhu

Kinerja sel dapat berubah secara dramatis dengan suhu. Pada suhu yang sangat rendah, pada baterai dengan elektrolit air, elektrolit sendiri bisa membeku yang ini merupakan batas suhu  terendah baterai dapat beroperasi. Pada suhu rendah, baterai lithium terkena pelapisan lithium pada anoda yang menyebabkan penurunan permanen dalam kapasitas. Pada suhu yang sangat tinggi, bahan kimia aktif bisa rusak yang ini berarti juga merusak baterai. Diantara dua batasan suhu ini, kinerja sel umumnya meningkat dengan suhu.

Grafik diatas menunjukkan bagaimana kinerja baterai ion lithium rusak ketika suhu operasi turun.

Barangkali yang lebih penting adalah bahwa, untuk keduanya suhu tinggi dan rendah, semakin jauh suhu operasi dari suhu ruang semakin besar terjadinya penurunan siklus hidup.

Karakteristik pemakaian sendiri

Laju memakai sendiri adalah ukuran seberapa cepat sebuah sel akan kehilangan energinya ketika disimpan di rak karena aksi kimia tak diinginkan dalam sel. Laju tersebut tergantung pada kimia sel dan suhu.

Kimia sel

Berikut menunjukkan umur simpan tipikal untuk beberapa sel primer:

• Zinc Carbon (Leclanché) 2 sampai 3 tahun
• Alkaline 5 tahun
• Lithium 10 tahun atau lebih

Laju pemakaian sendiri tipikal untuk sel dapat diisi ulang umum adalah sebagai berikut:

• Asam Timbal 4% sampai 6% per bulan
• Nickel Cadmium 15% sampai 20% per bulan
• Nickel Metal Hydride 30% per bulan
• Lithium 2% to 3% per month

Pengaruh suhu

Laju reaksi kimia tak diinginkan yang menyebabkan kebocoran arus internal antara elektroda positif dan negatif sel, seperti semua reaksi kimia, meningkat dengan suhu. Peningkatan laju reaksi kimia ini akan meningkatkan laju pemakaian sendiri baterai. Grafik dibawah ini menunjukkan laju pemakaian untuk baterai ion lithium.

Impedansi internal

Impedansi internal sebuah sel menentukan kemampuan membawa arusnya. Hambatan internal yang rendah mengijinkan arus yang tinggi.

Sirkuit ekivalen baterai

Diagram sebelah kanan menunjukkan sirkuit ekivalen untuk sel energi.

• Rm adalah hambatan lintasan logam melalui sel termasuk terminal, elektroda dan antar-sambungan.
• Ra adalah hambatan lintasan elektrokimia termasuk elektrolit dan separator.
• Cb adalah kapasitansi pelat sejajar yang membentuk elektroda sel.
• Ri adalah hambatan kontak non-linier antara pelat atau elektroda dan elektrolit.

Hambatan internal tipikal adalah pada tingkat milliohm.

Pengaruh impedansi internal

Ketika arus mengalir melalui sel, terjadi penurunan tegangan pada hambatan internal sel yang menurunkan tegangan terminal sel selama pemakaian dan meningkatkan tegangan yang dibutuhkan untuk mengisi sel. Hal ini mengakibatkan penurunan kapasitas efektif dan efisiensi pengisian/pemakaian. Laju pemakaian yang lebih tinggi menimbulkan penurunan tegangan internal yang lebih besar. Hal ini menjelaskan mengapa pada kurva pemakaian, tegangannya lebih rendah pada laju C tinggi.

Impedansi internal dipengaruhi oleh karakteristik fisik elektrolit. Semakin kecil ukuran granular bahan elektrolit, semakin rendah impedansi sel. Ukuran butir diatur oleh pabrik sel dalam proses penghalusan.

Konstruksi spiral elektroda sering digunakan untuk memaksimalkan luas permukaan dan jadi menurunkan impedansi internal. Ini mengurangi timbulnya panas dan mengijinkan laju pengisian dan pemakaian yang cepat.

Hambatan internal sel galvanis tergantung suhu, yang turun ketika suhu naik karena peningkatan mobilitas electron. Grafik dibawah adalah contoh tipikal.

Jadi sel bisa sangat tidak efisien pada suhu rendah tetapi efisiensinya membaik pada suhu yang lebih tinggi karena impedansi internal yang lebih kecil, tetapi juga peningkatan laju reaksi kimia. Namun, sayang sekali hambatan internal yang kecil juga menyebabkan laju pemakaian sendiri meningkat. Lebih lanjut, umur siklus menurun pada suhu tinggi. Beberapa bentuk pemanasan atau pendinginan mungkin diperlukan untuk menjaga sel dalam kisaran suhu terbatas untuk mencapai kinerja optimum dalam aplikasi daya tinggi.

Hambatan internal sebagian besar kimia juga cenderung meningkat secara signifikan kearah akhir siklus pemakaian ketika bahan kimia aktif dirubah menjadi keadaan terpakainya dan dari sini secara efektif digunakan. Ini merupakan yang paling bertanggung jawab terhadap penurunan yang cepat pada tegangan sel pada akhir siklus pemakaian. Selain itu, efek pemanasan Joule rerugi I2R dalam hambatan internal sel akan menyebabkan suhu sel meningkat.

Penurunan tegangan dan rerugi I2R mungkin tidak signifikan untuk sel 1000 mAh untuk HP tetapi untuk sebuah baterai mobil 100 sel 200 Ah dapat sangat penting. Hambatan internal tipikal untuk baterai HP lithium 1000 mA sekitar 100 sampai 200 mOhm dan sekitar 1 mOhm untuk sel lithium 200 Ah yang digunakan dalam baterai mobil. Ketika beroperasi, penurunan tegangan per sel kira-kira 0,2 V. Rerugi I2R dalam HP Antara 0,1 dan 0,2 W. Namun dalam baterai mobil penurunan tegangan diseluruh baterai kira-kira 20 V dan rerugi daya I2R yang dibuang sebagai panas dalam baterai kira-kira 40 W per sel atau 4 kW untuk seluruh baterai. Ini adalah selain panas yang dihasilkan oleh reaksi elektrokimia dalam sel.

Ketika sel menua, hambatan elektrolit cenderung meningkat. Penuaan juga menyebabkan permukaan elektroda rusak dan hambatan kontak menumpuk dan pada saat yang bersamaan luas efektif pelat berkurang yang menurunkan kapasitansinya. Semua efek ini meningkatkan impedansi sebenarnya sel yang secara berkebalikan memengaruhi kemampuannya untuk bekerja. Membandingkan impedansi sebenarnya sel dengan impedansinya ketika masih baru dapat digunakan untuk memberikan ukuran atau representasi umur sel atau kapasitas efektifnya. Pengukuran seperti itu jauh lebih mudah daripada memakai sel sebenarnya dan dapat diukur tanpa merusak sel yang diuji.

Hambatan internal juga memengaruhi kapasitas efektif sel. Semakin besar hambatan internalnya, semakin besar reruginya ketika dipakai dan diisi ulang, khususnya pada arus yang besar. Ini berarti bahwa untuk laju pemakaian tinggi, kapasitas tersedia sel jadi lebih rendah. Sebaliknya, jika dipakai pada periode waktu yang lama, kapasitas Ah lebih tinggi. Ini penting karena beberapa pabrik menspesifikasi kapasitas baterainya pada laju pemakaian yang sangat rendah yang membuatnya tampak jauh lebih baik daripada yang sesungguhnya.