Ionisasi Dan Proses Kegagalan Di Udara

I ONI SASI ASI DAN PROS PROSES ES KEGAGALA N D I UDARA/GAS

1.1.

Pendahuluan

Udara dan gas termasuk bahan isolasi yg banyak digunakan untuk mengisolasi mengisolasi peralatan listrik listrik tegangan tinggi.Isolasi tinggi.Isolasi berfungsi berfungsi memisahkan memisahkan dua atau lebih penghantarlistrk penghantarlistrk yg beregangan,sehingga beregangan,sehingga antara penghantar-penghantar penghantar-penghantar tersebut tidak terjadi lompatan listrik (flashover) atau percikan (sparkover). (sparkover). Bahan isolasi akan mengalami pelepasan muatan yang merupakan bentuk kegagalan listrik apabila tegangan yang diterapkan melampaui kekuatan isolasinya. Kegagalan yang terjadi pada saat peralatan sedang beroperasi bisa menyebabkan kerusakan alat sehingga kontinuitas sistem terganggu.Udara merupakan bahan isolasi yang banyak digunakan pada peralatan tegangan tinggi misalnya pada arrester sela batang yang terpasang di saluran transmisi, selain itu udara juga digunakan sebagai media peredam busur api pada pemutus tenaga (CB =Circuit Breaker). Sementara bahan isolasi cair banyak digunakan sebagai isolasi dan pendingin pada trafo trafo karena memiliki memiliki kekuatan isolasi isolasi lebih tinggi. Hasil pengujian menunjukkan bahwa nilai tegangan tembus yang terjadi pada media isolasi udara dan minyak cenderung meningkat seiring pertambahan jarak sela. Selain itu juga dilakukan pengujian pada minyak bekas dan minyak baru. Hasil pengujian menunjukkan tegangan tembus pada minyak baru lebih tinggi daripada minyak bekas dan tegangan tegangan tembus isolasi isolasi udara lebih lebih kecil daripada tegangan tembus tembus minyak. Untuk tegangan yg semakin tinggi diperlukan bahan isolasi yg mempunyai kuat isolasi yg lebih tinggi.Apabila tegangan tegangan yg diterapkan mencapai ketinggian tertentu,maka bahan isolasi tersebut akan mengalami pelepasan muatan (lucutan,discharge),yg (lucutan,discharge),yg merupakan suatu bentuk kegagalan listrik.Kegagalan ini menyebabkan hilangnya tegangan dan mengalirnya arus dalam bahan

The world's largest digital library

Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.





isolasi.Dalam proses pelepasan listrik ada beberapa mekanisme pembangkitan atau kehilangan ion,baik dalam bentuk tunggal,maupun tunggal,maupun dalam bentuk kombinasi.Proses dasar pelepasan gas meliputi antra lain : (a) Pembangkitan ion dengan cara benturan, (collision) Elektron,fotoionisasi, Elektron,fotoionisasi, ionisasi oleh benturan ion-positif,ionisasi ion-positif,ionisasi termal,pelepasan termal,pelepasan (detachament) electron kumulatif,dan efek γ sekunder ; (b) Kehilangan ion dengan cara pengabungan (attachement) electron,rekombinasi dan difusi.

1.2.

Proses Dasar Ionisasi

Udara ideal adalah gas yg hanya terdiri dari molekul-molekul netral,sehingga netral,sehingga tidak dapat mengalirkan arus listrik.Tetapi dalam kenyataannya,udara yg sesungguhnya sesungguhnya tidak hanya terdiri dari molekul-molekul netral saja tetapi ada sebagian kecil dari padanya padanya berupa ion-ion dan electron-elektron electron-elektron bebas,yg akan mengakibatkan udara dan gas mengalirkan arus walaupun terbatas. Kegagalan listrik yg terjadi di udara atau gas pertama-tama tergantung dari jumlah electron bebas yg ada di udara udara atau gas tersebut.Konsent tersebut.Konsentrasi rasi electron bebas bebas ini dalam keadaan normal sangat kecil dan ditentukan oleh pengaruh radioaktif dari luar.Pengaruh ini dapat berupa radiasi ultra violet dari sinar matahari,radiasi radioktif dari bumi,radiasi bumi,radiasi sinar sinar kosmis kosmis dari dari angkasa luar dan sebagainya,yg sebagainya,yg kesemuanya dapat menyebabkan udara terionisasi. Jika diantara elektroda (gambar 1.10 diterapkan suatu tegangan V,maka akan timbul suatu medan listrik E yg mempunyai besar dan ara tertentu.Di dalam medan





Besarnya energy tersebut adalah : U = e.V = ½.

 . 

Dimana ; e = muatan electron V = beda potensial antara kedua kedua elektroda elektroda

 = massa electron  = kecepatan electron 1.3 Ionisasi karena Benturan Elektron

(1-1)





secara kontinu sambil membuat benturan - benturan yang akan membebaskan elektron lebih banyak lagi. Ionisasi karena benturan ini merupakan proses dasar yang penting dalam kegagalan udara atau gas.

Sebuah electron tunggal yg di bebaskan oleh pengaruh luar akan menimbulkan banjiran electron electron (avalanche),yaitu (avalanche),yaitu kelompok electron electron yg bertambah bertambah secara cepat dan bergerak maju meninggalkan ion positif pada lintasannya.efektivitas ionisasi karena benturan (tumbukan ) electron ditentukan oleh energy (lihat persamaan 1-1) atau kecepatan electron pembentur yaitu :

     √  Jika kecepatan electron

(1-2)

 sangat lambat,misalnya lambat,misalnya oleh sebab tegangan V yg

diterapkan rendah,maka tidak akan terjadi proses ionisasi,karena ionisasi,karena energy yg dihasilkan tidak cukup kuat untuk membebaskan electron berikutnya. Jika kecepatan electron

 terlalu tinggi,maka ionisasi juga sulit terjadi.Dalam

keadaan seperti ini ada kemungkinan electron bebas tersebut dalam pergerakannya akan mendekati sesuatu atom,tanpa mengeluarkan electron dri padanya. Dari kedua hal tersebut dapat disimpulkan bahwa dalam proses ionisasi,ada





itu kecepatan yg optimum ini harus sering terjadi supaya bila gerakan yg pertama tidak dapat membentur atom,maka gerakan yg berikutnya diharapkan dapat membentur atom dan membebaskan electron dari padanya. Didalam proses ionisasi dikenal satuan ionisasi,atau kebolehjadian ionisasi (probability of ionization) ionization) yg didefinisikan didefinisikan sebagai jumlah pasangan ion yg dapat dibebaskan oleh electron yg bergerak sepanjang lintasan 1cm dalam gas pada tekanan 1 mm Hg.Gambar 1.2.memperlihatkan 1.2.memperlihatkan grafik kebolehjadian ionisasi untuk udara.Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa energy sebesar 150 eV,akan dibebaskan 10 pasang pasang ion yg terjadi jika elektronnya elektronnya bergerak sepanjang 1cm pada tekanan 1 mm Hg.

Proses pelepasan (discharge) pada udara dan gas dapat dibagi menjadi 2 bagian,yaitu pelepasan pelepasan bertahan sendiri sendiri (self (self sustaining discharge) discharge) dan pelepasan pelepasan tak bertahan (non self sustaining discharge).Dalam discharge).Dalam hal ini mekanisme mekanisme kegagalan





terjadi karena ada electron-elektron awal yg berasal dari radiasi kosmis dan radioaktifitas. Karena gerakan electron adalah fungsi dari tegangan dan arahnya berlawanan dengan gerakan arus listrik maka,jika suatu tegangan diterapkan antara dua elektroda (katoda dan anoda),arus yg bergerak menuju katoda akan bertambah perlahan-lahan sesuai sesuai dengan bergeraknya bergeraknya electron.Gerakan electron.Gerakan ini sesuai sesuai dengan arah arah kuat medan yg ada.Perubahan arus antara dua elektroda e lektroda pelat yg sejajar sebagai fungsi dari kuat medan yg diterapkan untuk pertama kali diselidiki oleh Towsend. Proses yg terjadi dapat digambarkan seperti pada gambar 1.3..Menurut Towsend arusnya mula-mula naik sebanding dengan tegangan yg diterapkan.Bagian awal grafik ini linier sebab pertambahan electron yg dibebaskan sebanding dengan naiknya tegangan yg diterapkan.







Selanjutnya ,pertambahan tegangan dari V1 ke V2 tidak akan menyebabkan menyebabkan pertambahan arus.Arusnya arus.Arusnya konstan konstan pada harga

,yaitu foto listrik yg dihasilkan di

katoda oleh penyinaran lembayung ultra (ultra violet).Arusnytan,karena semua electron yg disebabkan karena penyinaran tersebut sudah habis.Keadaan ini disebut kejenuhan. Jika tegangan dinaikan terus sehingga melebihi V2,maka arusnya akan naik secara eksponensial.Kenaikan eksponensial.Kenaikan arus sesudah tegangan melebihi V2 menurut Towsend disebabkan oleh ionisasi gas karena benturan electron.Pada waktu kuat medan naik,maka elektron-elektron yg meninggalkan katoda makin lama makin dipercepat,sehingga dipercepat,sehingga electron-elektron ini memiliki cukup energy untuk memungkinkan terjadinya ionisasi akibat benturan dengan atom atau molekul gas.Tumbukan-tumbukan gas.Tumbukan-tumbukan ini akan menimbulkan electron-elektron baru,yg kemudian juga memperoleh tambahan energy dari medan sehingga mampu pula melakukan ionisasi.Dengan demikian,jumlah demikian,jumlah electron yg dibebaskan makin lama makin banyak dan arusnya pun makin besar.Jika tegangannya telah mencapai suatu harga kritisVs,maka akan bertambah sangat cepat dan akhirnya akan terjadi pelepasan bertahan bertahan sendiri. Guna dapat menjelaskan kenaikan arus Towsend memperkenalkan memperkenalkan suatu factor





Karena itu,maka itu,maka arus sepanjang celah celah (gap) antara katoda katoda dan anoda akan naik secara eksponensial pula,atau di mana I=

 

(1-4)

 = arus yg meninggalkan katoda D = jarak celah

Hubungan antara koefisien pertama di atas dengan gradient medan dapat dijabarkan secara teoritis dan dibuktikan dengan percobaan.Pengukuran percobaan.Pengukuran α untuk





1.4.

Ionisasi karena Cahaya (Fotoionisasi) (Fotoionisasi)

Seperti dapat dilihat di atas,untuk memungkinkan terjadinya terjadinya proses ionisasi,diperlukan ionisasi,diperlukan energy.Suatu sinar (cahaya) dengan frekuensi ν akan mempunyai energy sebesar : U = hν

(1-5) (1-5)

Di mana h = konstanta Planck Kuantum energy atau foton ini dapat mengionisasikan molekul yg netral dalam gas jika U = hν ≥ eVi

(1-5) (1-5)

Di mana Vi = potensial ionisasi Dari persamaan (1-5) dapat dilihat bahwa energi yg dating harus lebih besar dari atau sama dengan energi yg diperlukan untuk membebaskan electron dari molekul gas.





A1 = molekul atau sama dengan energi yg lebih tinggi proses ini disebut fotoeksitasi (photoexcittion0 (photoexcittion0 Bila hν ˃ eV1 maka kelebihan energi ini akan dialihkan kepada electron yg dibebaskan dalam bentuk energi kinetik kinetik hν = eV1 + ½

 

(1-7)

Secara umum proses fotoionisasi dapat dinyatakan dengan persamaan : A + hν →

 + 

Di mana A = molekul mula-mula

= molekul yg bebas 1 elektronnya  = electron yg dibebaskan oleh ionisasi Kebolehjadian sebuah foton mengionisasikan sebuah atom atau molekul adalah





untuk mengionisasikan atom-atom yg mereka bentur.Proses ini telah dianalisis oleh Saha dan dapat dituliskan sebagai:

 (T) + A ↔  + 

(1-9)

Dimana:

 (T) = energi panas A

= molekul atau atom gas mula-mula

 

= molekul atau atom bebas 1 elektronnya elektronnya = electron yg dibebaskan oleh proses ionisasi

Pada umumnya istilah ionisasi termal mencakup hal-hal hal -hal sebagai berikut: a.Ionisasi karena benturan antara molekul-molekul atau atom gas yg bergerak

Ionisasi Dan Proses Kegagalan Di Udara

Recommend Documents