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.