Sifat Isolasi Padat Dan Proses ya

SISTEM ISOLASI

SIFAT ISOLASI DAN PROSES KEGAGALAN BAHAN ISOLASI PADAT

Oleh :

M. Anas Wirawan

: D400030067

Aji Purnomo

:D400080021

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2010

Titles you can't find anywhere else

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





SIFAT ISOLASI

Salah satu tujuan dari pengujian tegangan tinggi adalah untuk meneliti sifat-sifat elektris dielektrik bahan yang telah dipakai sebagai bahan isolasi peralatan listrik maupun yang masih dalam tahap penelitian. Adapun sifat-sifat elektrik bahan dielektrik adalah : 1. Kekuatan Dielektrik 2. Konduktansi 3. Rugi-rugi Dielektrik 4. Tahanan Isolasi, dan 5. Peluahan Parsial Suatu bahan dielektrik tidak mempunyai elektron bebas, tetapi mempunyai elektronelektron yang terikat pada inti atom unsur yang membentuk dielektrik tersebut. Pada Gambar 2.1 diperlihatkan suatu bahan dielektrik yang ditempatkan di antara dua elektroda piring sejajar. Bila elektroda diberi tegangan searah, maka timbul medan elektrik (E) di dalam dielektrik. Medan elektrik ini memberi gaya kepada elektron-elektron agar terlepas dari ikatannya dan menjadi elektron bebas. Dengan kata lain, medan elektrik merupakan suatu beban bagi dielektrik yang menekan dielektrik agar berubah menjadi konduktor. Beban yang dipikul dielektrik ini disebut juga terpaan medan elektrik (Volt/cm). Setiap dielektrik mempunyai batas kekuatan untuk memikul terpaan elektrik.

+ Elektroda

V

E

Dielektrik Elektroda

-





Jika terpaan elektrik yang dipikulnya melebihi batas yang diizinkan dan berlangsung cukup lama, maka dielektrik akan menghantarkan arus atau gagal melaksanakan fungsinya sebagai isolator. Dalam hal ini dielektrik dikatakan tembus listrik atau "breakdown". Terpaan elektrik tertinggi yang dapat dipikul suatu dielektrik tanpa menimbulkan dielektrik tembus listrik disebut kekuatan dielektrik. Kegagalan Bahan Isolasi Padat

Mempelajari kegagalan yang terjadi pada benda padat adalah sangat penting. Pada benda padat, apabila terjadi kegagalan, maka ia adalah kegagalan permanen, karena ia termasuk bahan yang non-self restoring. Sebaliknya untuk benda cair dan gas, bila terjadi kegagalan maka kegagalan ini adalah kegagalan yang sementara. Sesudah beberapa lama maka kekuatannya akan kembali lagi. Bahan ini termasuk bahan yang self restoring. Beberapa kegagalan pada benda padat dapat digolongkan seperti berikut : a. Kegagalan Intrinsik (asasi) dan elektro mekanik b. Kegagalan streamer c. Kegagalan termal d. Kegagalan erosi

Mekanisme kegagalan bahan isolasi padat terdiri dari beberapa jenis sesuai fungsi waktu penerapan tegangannya. Hal ini dapat dilihat sebagai berikut :

Gambar 4.1 Grafik Kegagalan Isolasi





Kegagalan asasi (intrinsik) adalah kegagalan yang disebabkan oleh jenis dan suhu bahan ( dengan menghilangkan pengaruh luar seperti tekanan, bahan elektroda, ketidakmurnian, kantong kantong udara. Kegagalan ini terjadi jika tegangan yang dikenakan pada bahan dinaikkan sehingga tekanan listriknya mencapai nilai tertentu yaitu 106 volt/cm dalam waktu yang sangat singkat yaitu 10-8 detik. Kegagalan intrinsik terjadi jika diterapkan tegangan tinggi pada lapisan dielektrik yang tipis. Hal ini terjadi pada waktu yang singkat dan disebabkan karena medan listrik yang tinggi

V/cm dimana elektron mendapatkan energi dari tegangan luar sehingga

melintasi celah yang terlarang ( forbidden energy gap) sampai kelapisan konduksi. Adapun sifat dari kegagalan ini adalah: a.

Terjadi pada suhu yang rendah, suhu kamar atau lebih rendah. Kekuatan

kegagalan tidak bergantung pada bentuk gelombang dari tegangan yang diterapkan dan terjadi pada waktu yang singkat. b.

Kegagalan tergantung pada bentuk, besar dan spesimen dan bentuk dari

kegagalan.

Kegagalan elektromekanik

Kegagalan elektromekanik adalah kegagalan yang disebabkan oleh adanya perbedaan polaritas antara elektroda yang mengapit zat isolasi padat sehingga timbul tekanan listrik pada bahan tersebut. Tekanan listrik yang terjadi menimbulkan tekanan mekanik yang menyebabkan timbulnya tarik menarik antara kedua elektroda tersebut. Pada tegangan 106 volt/cm menimbulkan tekanan mekanik 2 s.d 6 kg/cm2. Tekanan atau tarikan mekanis ini berupa gaya

yang bekerja pada zat padat berhubungan dengan Modulus Young

Dengan rumus Stark dan Garton

Jika kekuatan asasi (intrinsik) tidak tercapai pada

maka zat isolasi akan gagal





F

:gaya yang bekerja pada zat padat

DL

: pertambahan panjang zat padat

L

:panjang zat padat

A

:pertambahan zat yang dikenai gaya

d0

:tebal zat padat sebelum dikenai tegangan V

d

:tebal setelah dikenai tegangan V dan e 0e r:permitivitas

Kegagalan streamer

Kegagalan streamer adalah kegagalan yang terjadi sesudah suatu banjiran (avalance). Sebuah elektron yang memasuki band conduction di katoda akan bergerak menuju anoda dibawah pengaruh medan memperoleh energi antara benturan dan kehilangan energi pada waktu membentur. Jika lintasan bebas cukup panjang maka tambahan energi yang diperoleh melebihi pengionisasi latis (latice). Akibatnya dihasilkan tambahan elektron pada saat terjadi benturan. Jika suatu tegangan V dikenakan terhadap elektroda bola, maka pada media yang berdekatan (gas atau udara) timbul tegangan. Karena gas mempunyai permitivitas lebih rendah dari zat padat sehingga gas akan mengalami tekanan listrik yang besar. Akibatnya gas tersebut akan mengalami kegagalan sebelum zat padat mencapai kekuatan asasinya. Karean kegagalan tersebut maka akan jatuh sebuah muatan pada permukaan zat padat sehingga medan yang tadinya seragam akan terganggu. Bentuk muatan pada ujung pelepasan ini dalam keadaan tertentu dapat menimbulkan medan lokal yang cukup tinggi (sekitar 10 MV/cm). Karena medan ini melebihi kekuatan intrinsik maka akan terjadi kegagalan pada zat padat. Proses kegagalan ini terjadi sedikit demi sedikit yang dapat menyebabkan kegagalan total. Kegagalan termal

Kegagalan termal, adalah kegagalan yang terjadi jika kecepatan pembangkitan panas di suatu titik dalam bahan melebihi laju kecepatan pembuangan panas keluar. Akibatnya terjadi keadaan tidak stabil sehingga pada suatu saat bahan mengalami kegagalan. Gambar kegagalan ini ditunjukkan seperti





Gambar 4.2 Kegagalan Termal

Dalam hukum konversi energi : U0 = U1+U2, dimana U0

:panas yang dibangkitkan

U1

:panas yang disalurkan keluar

U2

:panas yang menaikkan suhu bahan atau dimana :

Cv : panas spesifik k : konduktivitas termal d : konduktivitas listrik E: tekanan listrik. Pada arus bolak balik terdapat hubungan langsung antara konduktivitas dengan dengan frekuensi dan permitivitas yaitu : s = w 1e 0 e r dan e r = e r' + j e r dimana e 0 : konstanta dielektrik dan e r permitivitas relatif. Karena adanya faktor ini, maka rugi rugi pada medan arus bolak balik lebih besar dari arus searah. Akibatnya kuat gagal termal pada tegangfan AC lebih kecil daripda kuat gagal termal medan arus DC. Kuat gagal termal untuk medan bolak balik juga menurun dengan naiknya frekuensi tegangan.







benda lain, yang mempunyai kekuatan medan atau kekuatan dielektrik yang berbeda dengan kekuatan dielektrik dari bahan isolasi. Bila rongga berisi udara maka akan terdapat konsentrasi medan listrik. Karena itu, pada nilai tegangan normal kekuatan medan pada rongga dapat bernilai melebihi kekuatan kegagalan, sehingga dapat menyebabkan terjadinya kegagalan. Kekuatan medan dalam reongga ditentukan oleh perbandingan dari permitivitas dan bentuk rongga. Pada setiap pelepasan muatan terjadilah panas, dan lama kelamaan muka dari rongga akan terjadi karbonisasi dan dapat merusak susunan kimia isolasi dan terjadinya erosi Kegagalan Erosi, adalah kegagalan yang disebabkan zat isolasi pada tidak sempurna, karena adanya lubang lubang atau rongga dalam bahan isolasi padat tersebut. Lubang/rongga akan terisi oleh gas atau cairan yang kekuatan gagalnya lebih kecil dari kekuatan zat padat. Gambar kegagalan isolasi dan rangkaian ekivalennya ditunjukkan oleh gambar dibawah ini:

Gambar 4.3 Kegagalan erosi dan rangkaian





C2

:Kapasitansi rongga yang tebalnya d

V1

:Tegangan pada rongga

Va

:Tegangan terminal

er

:Permitivitas relatif zat isolasi padat

Jika tegangan AC yang dikenakan tidak menghasilkan kegagalan, maka bentuk gelombang yang terjadi pada rongga adalah V1, tetapi jika V1 cukup besar, maka bisa terjadi kegagalan pada tegangan V1'. Pada saat terjadi lucutan dengan tegangan V1' maka pada rongga tersebut terjadi busur api. Busur api yang terjadi diiringi oleh jatuhnya tegangan sampai V1" dan mengalirnya arus. Busur api kemudian padam. Tegangan pada rongga naik lagi sampai terjadi kegagalan berikutnya pada tegangan V1'. Hal ini juga terjadi pada setengah gelombang (negatif) berikutnya. Rongga akan melucut pada waktu tegangan rongga mencapai -V1'. Pada waktu gas dala rongga gagal, permukaan zat isolasi padat merupakan katoda - anodadengan bentuk yang ditunjukkan seperti berikut:

Gambar 4.5 Bentuk Gas dalam rongga saat mengalami kegagalan

Benturan elektron pada anoda mengakibatkan terlepasnya ikatan kimiawipada isolasi padat





Kegagalan Bahan Isolasi Padat Dalam Praktek

Terdapat beberapa jenis kegagalan yang tidak dapat dijelaskan baik dari kegagalan intrinsik maupun pada kegagalan termal, tetapi dalam kenyataannya, fenomena ini terjadi setelah tegangan operasi ditingkatkan dalam waktu yang lama. Kegagalan ini, misalnya adanya penjejakan karbon ( tracking) pada material padat porselin, terutama pada keadaan kering yang menyebabkan terbentuknya celah konduksi pada permukaan isolasi. Penjejakan ini berperan sebagai celah konduksi pada permukaan isolator yang mendorong terjadinya kegagalan bertahap di sepanjang permukaan isolator. Jenis kegagalan lainnya dalam kategori ini adalah kegagalan elektron-kimia yang disebabkan oleh transformasi kimiawi, seperti elektrolisis, pembentukan ozon, dan lain-lain. Tambahan pula, kegagalan juga dapat terjadi dalam hal adanya pelepasan muatan sebagian (partial discharge) yang terbentuk karena adanya kantong udara di dalam isolator padat tersebut. Kegagalan jenis ini sangat penting diketahui, terutama panggunaan isolator kertas yang digunakan pada kabel dan kapasitor tegangan tinggi.

Kegagalan Kimia Dan Elektro-kimia

Kehadiran udara dan gas lainnya menyebabkan bahan isolasi padat mangalami perubahan struktur secara kimiawi yang dapat berlanjut pada tekanan listrik secara terus menerus yang pada akhirnya menyebabkan kegagalan isolasi. Beberapa reaksi kimia penting yang terjadi adalah : a. Oksidasi : Kehadiran udara atau oksigen, pada material padat seperti karet dan polyethilene mengalami oksidasi yang dapat meyebabkan keretakan pada permukaan isolator





proses material isolasi dapat menyebabkan terjadinya berbagai proses ketidakstabilan kimiawi karena adanya temperatur yang tinggi, oksidasi maupun terbentuknya ozon. Meskipun material isolasi padat digunakan pada berbagai kepentingan penggunaan dan kondisi yang berbeda, reaksi kimia akan terjadi pada berbagai material yang dapat mandorong terjadinya penurunan sifat listrik maupun sifat mekanis yang pada akhirnya dapat menyebabkan terjadinya kegagalan isolasi. Efek elektro-kimia dan penurunan sifat kimia material dapat diperkecil dengan cara mengkaji lebih mendalam dan melakukan pengujian material secara lebih berhati-hati. Isolatornya yang terbuat dari bahan glass (campuran sodium) harus dihindarkan dari keadaan udara lembab dan basah, sebab sodium dapat menyebabkan keadaan menjadi tidak stabil, sehingga soda yang dilepaskan ke permukaan akan

menimbulkan pembentukan suatu alkali kuat yang akan

menyebabkan penurunan sifat material secara menyeluruh.

Kegagalan Tracking Dan Treeing

Jika suatu bahan isolasi padat diterapkan tekanan listrik dalam jangka waktu yang lama maka akan mengalami kegagalan. Secara umum, terdapat dua gejala yang dapat diamati pada material tersebut, yaitu: a.

Adanya bagian konduksi pada permukaan isolator.

b.

Suatu mekanisme yang bekerja yang menyebabkan arus bocor melalui bagiankonduksi yang pada akhirnya mendorongke arah pembentukan suatu percikan ( discharge).

Percikan yang terjadi akan menyebar selama proses penjejakan karbon ( tracking) dan





kemudiannya dapat meningkatkan tekanan yang berlebihan. Proses ini adalah merupakan proses kumulatif, dan isolator mengalami kegagalan akibat terjadinya jembatan karbon diantara elektroda. Fenomena ini dikenal dengan istilah “tracking”. Pada sisi yang lain, treeing terjadi karena erosi dari material pada ujung percikan. Erosi mengakibatkan permukaan menjadi kasar, dan oleh sebab itu dapat menjadi sumber pengotoran dan pencemaran. Kejadian ini akan meningkatkan konduktivitas, dan pada sisi yang lain akan membentuk jembatan antara bagian konduksi tadi dengan elektroda yang selanjutnya mengakibatkan kegagalan mekanik (keretakan ) pada bahan isolator. Umumnya, tracking terjadi pada tegangan yang rendah yaitu sekitar 100 V, sedang treeing terjadi pada tegangan tinggi. Treeing dapat dicegah melalui usaha membersihkan permukaan material, menciptakan keadaan kering, dan pada permukaan yang halus (yang tidak terjadi kekasaran permukaan). Oleh karena itu pemilihan material harus didasarkan pada material yang mempunyai resistansi yang tinggi terhadap fenomena “treeing”.

Sifat Isolasi Padat Dan Proses ya

Recommend Documents