Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama ManjangKULIAH-3KEGAGALAN ISOLASI PADA BENDA GASBab ini akan menjelaskan teori kegagalan isolasi pada benda gas. pada bendagas, diantarateori yangdibahasadalahgassebagai isolator, proses dasar ionisasidalam gas,mekanisme kegagalan Townsend, kegagalan pada gas elektronegatif,post breakdown phenomena,streamer breakdown,hukum Paschen, dan isolasi vakum.3.1 GAS SEBAGAI MEDIA ISOLATORUdaradangasadalahsuatudielektrikyangpalingmudahditemukan, yangmanabanyak digunakan sebagai bahanuntuk mengisolasi peralatan listrik tegangan tinggi. Gas-gas yang biasa digunakan untuk mengisolasi adalah Nitrogen(N2), Karbondioksida(CO2), Freon(CCI2F2) danSulfur Heksaflorida (SF6). Isolasi berfungsi untukmemisahkanduaataulebihpenghantar listrik yang bertegangan, sehingga antara penghantar-penghantar tersebut tidak terjadi lompatan listrik (flashover) atau percikan (sparkover).Pada saat penerapan tegangan dilakukan, bermacam fenomena terjadi dalamdielektrikgas. Ketikateganganyangditerapkanadalahrendah, maka arus yang mengalir diantara elektroda tersebut adalah kecilsehingga isolator masihdapat menahansifat listriknya. Akantetapi bilaarusyangditerapkan adalah besar, maka arus yang mengalir dalam elektroda meningkat tajam dan ini menyebabkan terjadinya suatu kegagalan listrik, yang mana ditandai dengan pelepasan, yang mana ditandai dengan pelepasan muatan listrik (discharge). Kegagalan ini menyebabkan hilangnya tegangan dan mengalirnya arus dalam bahan isolasi.1. Pelepasan yang bertahan sendiri (self-sustainingdischarge), dan2. Pelepasan yang tidak bertahan sendiri (non-self-sustaining discharge)Mekanisme kegagalan gas, yang biasa disebut percikan, adalah peralihandari pelepasantakbertahankeberbagai jenispelepasanyangtak bertahan ke berbagaijenis pelepasan yang bertahan sendiri. Percikan (spark) biasanya terjadi secara tiba-tiba.1Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama ManjangSifat mendasar dari kegagalan percikan (spark breakdown) adalah bahwa tegangan pada sela jatuh menurun karena proses yang menghasilkan kehantaran (conductivity) tinggi antara anoda dan katoda. Pada saat ini dikenal dengan dua mekanisme kegagalan gas, yaitu :1. Teori/mekanisme Townsend, dan2. Teori/mekanisme Streamer (Kanal).Bermacam-macam kondisi fisik dalam gas seperti : tekanan, temperatur (suhu), sifat dasar elektroda, permukaan alami elektroda dan tersedianya partikel-partikelpenghantar dianggap sebagaidasar yang menentukan dalam terjadinya proses ionisasi.3.2 PROSES DASAR IONISASIUdara idealadalah gas yang hanya terdiridarimolekul-molekulnetral, sehinggatidak dapat mangalirkan arus listrik. Tetapi dalamkenyataannya, udara yang sesungguhnya tidak hanya terdiridarimolekul-molekul netralsaja tetapi adasebagiankecil daripadanyaberupaion-iondanelektron-elektron bebas, yang akan mengakibatkan udara dan gas mengalirkan arus walaupun terbatas.Kegagalan listrik yang terjadi di udara atau gas, pertama-tama tergantungdari jumlahelektronbebasyangadadiudaraataugastersebut. Konsentrasi elektron bebas ini dalamkeadaan normal sangat kecil dan ditentukan oleh pengaruh radioaktif dari luar. Pengaruh ini dapat berupa radiasi ultraviolet dari sinar matahari, radiasi radioaktif dari bumi, radiasi sinar kosmis dari angkasa luar dan sebagainya, yang menyebabkan udara terionisasi. Proses dasar pelepasan dalam gas yang bertanggungjawab dalam terjadinya kegagalan adalah : Ionisasikarena benturan elektron, ionisasikarena cahaya (fotoionisasi), ionisasi karena panas, proses ionisasi kedua dan proses penggabungan (rekombinasi).2Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama Manjang3.2.1 IONISASI KARENA BENTURAN ELEKTRONPada proses ionisasi ini elektron yang bebas bertumbukan dengan molekulgas netraldan mengakibatkan kenaikan pada elektron baru dan ion positif. Proses dari pelepasan elektron dari molekul gas yang bersamaan dengan dihasilkannya ion positif merupakan bentuk dari ionisasi. Jika dianggap suatu gumpalan gas yang bertekanan rendah dan medan listrik E diterapkan pada sebaran dua plat elektroda yang sejajar, seperti pada Gambar 3.1.Maka elektron-elektron yang berada pada katoda tersebut akan lebih dipercepat lagi dalam proses tumbukan dengan molekul gas yang lain selama pergerakannya menuju ke anoda. Jika energi () meningkat selama dalampergerakan tumbukan melebihi potensial ionisasi, (Vi), yang mana energi hanya menghendaki untuk mengeluarkan elektron dari kulit atom, maka ionisasi dapat terjadi. Proses ini dapat digambarkan sebagai :e- + Ae- + A+ e-(3.1)Dimana A adalah atom, A+ adalah ion positif dan e- adalah elektron.Gambar 3.1 Penetapan studi pelepasan muatan TownsendAdajugaelektronyangdihasilkanpadakatodayangdipengaruhi oleh pengaruh luar, seperti : jatuhnya sinar ultra violet di katoda ionisasi partikel gas yang menghasilkan ion positif dan elektron tambahan. Ion-ion tambahan inilah yang menyebabkan ionisasitumbukan dan proses initerjadiberulang. Halini terlihat padabertambahnyajumlahaliran elektrondanjumlahelektronyang 3 > ViTeknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama Manjangmenujukeanodayangmana perunitnyalebihbesardari yangdilepaskandi katoda. Selanjutnya, ion positif juga mencapai katoda dan bertumbukan, sehingga memberikan peningkatan pada elektron berikutnya.3.2.2 IONISASI KARENA CAHAYA (FOTOIONISASI)Fenomena penggabungan oleh karena radiasi atau fotoionisasi melibatkaninteraksi antarazat yangteradiasi. Fotoionisasi terjadi padasaat jumlahdari radiasi energi diserapolehatomataumolekul melebihi daripada potensial ionisasinya. Proses radiasi yang dapat diserap oleh atomatau molekul adalah :1. Eksistansi atom yang menuju ke tingkatan energi yang lebih besar.2. Penyerapanyangberlanjut oleheksitasi langsungpadaatomatau disosiasi (pemisahan diri) pada molekul diatomik atau ionisasi langsung.Seperti pada atom yang mengeluarkan radiasi ketika elektron kembali ke keadaan yang sebelumnya. Proses bolak-balik terjadi pada saat atom menyerap radiasi. Proses ini dapat dituliskan sebagai :(3.2)dan ionisasi terjadi pada saat : c . iVh(3.3)Dimana, h adalah konstanta Planck. c adalah kecepatan cahaya, adalah panjanggelombangradiasi yangterjadi danVi adalahenergi ionisasi atom. Dengan mensubtitusikan h dan c di dapat :cm 10V27 . 16i1]1

(3.4)DimanaVi dalam elektronvolt (eV). Pada ionisasi energi yang tertinggi dan panjang gelombang radiasi yang pendek dapat menyebabkan proses terjadinya ionisasi. Ini diamatipada percobaan radiasiyang memiliki panjang 4A+hv + ATeknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama Manjanggelombang1250Aojugadapat meyebabkanterjadinyaproses fotoionisasi pada kebanyakan gas.3.2.3 IONISASI KARENA PANAS (IONISASI TERMAL)Padaprinsipnyaprosesionisasi karenapanas(termal) tidakberbeda denganprosesionisasi karenabenturandancahaya. Perbedaannyaterletak pada jenis energi yang diberikan kepada molekul atau atom gas netral. Jika gas dipanasi sampai suhu yang cukup tinggi, maka banyak atomnetral akan memperoleh energiyang diperlukan untuk mengionisasikan atom-atom yang mereka bentur. Proses ini dituliskan sebagai :(3.5)Dimana :Ui (T)= energi panasA = molekulatau atom gas mula-mulaA+= molekul atau atom yang bebas 1 elektronnyae-= elektron yang dibebaskan oleh proses ionisasiPada umumnya istilah ionisasi termal mencakup hal-hal sebagai berikut :1. Ionisasi karena benturan antara molekul-molekul atau atom gas yang bergerak dengan kecepatan tinggi akibat suhu yang tinggi.2. Ionisasi karena radiasi panas.Ionisasi adalah sumber ionisasi utama pada api (flames) dan busur api bertekanan tinggi.3.2.4 PROSES IONISASI KEDUAPadaprosesionisasi keduaini, elektronkeduadihasilkandari suatu pelepasan bertahan setelah terbentuknya ionisasi oleh benturan dan fotoionisasi. Proses ionisasi kedua dapat dijelaskan seperti berikut :5A++ eUi (T) + ATeknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama Manjang(1) Emisi/pemancaran elektron karena dampak ion positifIonpositif terbentukdari ionisasi karenabenturandanfotoionisasi dan oleh termuatnya muatan positif pada saat pergerakannya menuju ke katoda. Elektron dapat dikeluarkan dari permukaan logam katoda dengan menghujaninyadenganion-ionpositif atauatom-atommetastabil. Untuk memungkinkan pengeluaran (emisi), elektron sekunder dan ion yang membentur katodaharusmembebaskanduaelektron, satudiantaranya digunakan untuk menetralkan muatan ion. Oleh karena itu, energi minimum yang diperlukan untuk emisi ion positif adalah :U min = Uk + Up 2 e (3.6)Dimana :Uk = energi kinetikUp = energi potensial(2) Emisi elektron karena fotonSalah satu cara untuk melepaskan ion dari logam adalah dengan memberikan energi yang cukup untuk meningkatkan permukaan potensial plat. Energi juga dapat diambil dari bentuk foton pada frekuensi sinar ultra violet yangsesuai. Emisi elektrondari suatupermukaanlogamterjadi pada kondisi yang kritis. Proses ini dapat dituliskan sebagai:h.f (3.7)Dimanahadalah fungsi kerja elektroda pada logam, frekuensi (f) dituliskan dengan hubungan sebagai:hf (3.8)Diketahuibahwa frekuensiambang (permulaan) pada permukaan nikel dengan =4.5eV, makafrekuensi ini diidentikkandenganpanjang gelombang = 2775 A0. Jika radiasiyang terjadimemilikifrekuensi yang lebih besar akan bergerak sebagian sebagaienergikinetik pada 6Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama Manjangemisi elektrondanyangsebagiansabagai panasdi permukaanpada elektroda. Karena adalahbentukdari elektronvolt, makafrekuensi ambang terletak jauh dari daerah sianr ultraviolet pada spektrum radiasi elektromagnetik.(3) Emisi elektron karena atom netral dan metastabilAtomyangmetastabil ataupunmolekul adalahpartikel bergerakyang memiliki durasi yangbesar (10-3dst) biladibandingkandengandurasi pada partikel biasa (10-8 dst). Elektron dapat dikeluarkan dari permukaan logam dengan cara benturan pada atom yang dibangkitkan (metastabil) yang mana energi totalnya cukup untuk meningkatkan fungsi kerja. Proses ini sangatlah mudah untuk diamati, karena durasi pada keadaan atomlain yang dibangkitkan terlalu pendek mencapai katoda dan menyebabkanemisi elektron. Atomnetral yangberadapadakeadaan dasar juga dapatmemberipeningkatan pada emisielektron kedua jika energi kinetiknya tinggi (100 eV).3.2.5. PROSES PENGGABUNGAN ELEKTRONTumbukandimanaelektron-elektrondapat bergabungkedalamatom atau molekul dan terbentuknya ion negatif disebut dengan penggabungan elektron. Proses penggabungan elektron bergantung pada energi elektron tersebut dan kealamian darigas. Semua gas yang merupakan isolator listrik, seperti 02, CO2, Cl2, F2, C3, F8, C4F10, CCl2F2, danSF6karakteristikyang berbeda. Proses penggabungan elektron dapat dituliskan sebagai :Atom + e- + k atomion negatif+ (Ea + K) (3.9)Energi yangdilepaskan sebagai bentuk dari hasil proses ini adalah energi kinetik (K) dan ditambah dengan daya tarik-manarik elektron (Ea). Pada saat penggabungan ataupun pengisolasian udara, atom dan molekulmemiliki suatupeluangdi kulit yangterluarnya, sehinggaterdapat padadayatarik-manarik elektron. Proses penggabungan memainkan peranan yangsangat 7Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama Manjangpentingdalampergerakanelektron-elektronbebaspadaionisasi gasketika gangguan pada busur, dan terjadi dalam pengisolasian gas di switchgear.3.3 PERSAMAAN KENAIKAN ARUS TOWNSENDBerdasarkanGambar 3.1diasumsikanbahwan0adalahelektronyang keluar dari katoda. Padasaat suatuelektronbertumbukkandenganpartikel netral, ionpositif danelektronterbentuk, ()dikenal sebagai jumlahelektron yang dihasilkan di dalam jalur sebuah elektron yang bergerak sepanjang 1 cm searahdenganmedan bergantungpadatekanangasPdanE/P, yang dikenal sebagai Koefisien kesatu ionisasi Townsend. Padajarak dari katoda, makajumlahelektronadalahn.Danini bergerakmenujujarakyang lebih jauh, sehingga dx memberikan kenaikan elektron (n d ).Pada saat :x = 0, nx = n0(3.10)atau :xxddn nx ; atau nx = n0 exp (x) (3.11)Maka, jumlah elektron yang menuju ke anoda (x = d) menjadi :nd = n0 exp (d) (3.12)Jumlah elektron baru yang terbentuk, pada rata-rata elektronnya;Exp (d) 1 = 00nn nd (3.13)Untuk rata-rata arus dalam celah, yang mana jumlahnya sama dengan elektron yang bergerak per detik, maka persamaan menjadi I = I0 exp (d) (3.14)Dimana :I0adalah arus awal di katoda8Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama Manjang3.4 KENAIKAN ARUS DARI KEHADIRAN PROSES KEDUA Pada proses dihujaninya elektron (avalanche) ternyata ada tambahan mekanismeyangikut bekerjadi dalammembantumemproduksi elektrondi daerahitu. DahuluTownsendmengirabahwaionpositif menabrakmolekul sehingga menyebabkan elektron keluar. Secara rinci dapat dijelaskan sebagai berikut :1. Ion positif yang bebas memilliki energi yang cukup utuk membebaskan elektron-elektron pada katoda saat ion positif mengenainya.2. Atom atau ion yang dibangkitkan pada saat dihujani akan mengeluarkan foton, yang mana akan menyebabkan keluarnya elektron karena proses fotoemisi.3. Partikel yang metastabil dapat tersebar kembali karena emisi (keluarnya) elektron.Elektron yang dihasilkan dariproses inidisebut sebagaielektron kedua. Koefisien ionisasi kedua () didefinisikan dengan cara yang sama seperti(), dengan asumsi jumlah elektron pada kedua proses dihasilkan oleh ion positif, foton, partikel yang dibangkitkan, ataupun partikel matastabil. Jumlah dari masing-masing koefisien karena perbedaan ketiga proses, misalnya : = 1 + 2 + 3. disebut sebagaiKoefisien ionisasikedua Townsend.Dan iniadalah sebagai fungsi dari tekanan gas P dan E/P.Berdasarkan pada prosedur townsend untuk kenaikan arus, maka diasumsikan :n0 = jumlah elektron kedua yang dihasilkan karena proses ionisasi kedua.n0 = jumlah elektron total yang meninggalkan katoda.Maka :n0 = n0 + n0 (3.15)jumlah elektron totalnyang menuju ke anoda menjadi :n = n0 exp (d) = (n0 + n0) exp (d) (3.16)Dann0 = [ n-(n0+n0) ] (3.17)9Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama ManjangDengan menghilangkann0 maka :] 1 ) [exp( 1) exp(0 dd nn(3.18)Atau] 1 ) [exp( 1) exp(0 dd II(3.19)MEKANISME KEGAGALAN TOWNSENDPersamaan (3.19) menjelaskan rata-rata totalarus dalam celah sebelum kegagalan terjadi. Pada jarak antara elektrodad yang semakin besar, angka persamaan mendekati nol. Dan pada saat jarak kritis d = d, maka :1 [ exp (d) 1 ] = 0 (3.20)Untukhargad, kegagalanbisamungkinsaja terlepas dari nilaidan. Jika> , sepertipada Persamaan(3.27) maka akanmenyerupai bentukgarislurusyangmendekati suatukurvadantidak berpotongan pada jarak yang dekat karena meningkatnya nilai d, oleh karena itu nilai + adalah :; 1) ( atau = ) 1 ( (3.28)16Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama ManjangKarena nilainya, sangat kecil (10-4) maka persamaan (3.28) dapat dianggapbahwa =. Kondisi ini menunjukkantidakadakegagalanpada batas nilai (E/P). E/Pkritis padaSF6adalah117Vcm-1torr-1danuntuk CCLF2F2adalah 121V cm-1torr-1 (keduanya pada suhu 200 C). Bentuk nilai pada beberapa gas ditunjukkan pada Gambar 3.8.Gambar 3.8Kurva /p dengan E/p untuk benda gas dielektrik ;p20 merupakan harga tekanan pada suhu 200 C(sumber : M.S. NaeduK. 1985)Padakondisi dimanaarusmencapai anoda, makapersamaan1dapat ditulis sebagai berikut :;' ] 1 } ) [{exp( 1)] /( [ ] ) exp( )} /( [{0ddI I(3.29)Kriteria breakdown Townsend untuk gas yang menempel dapat pula diturunkan dengan membuat denominator dalam contoh (3.29) menjadi nol.17Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama Manjang1 ] 1 ) [exp() ( daa(3.30)Ini menunjukkan bahwa untuk>, breakdownnya selalu memungkinkan terlepas dari nilai , , dan . Jika lain = , persamaan (3.18) mendekati bentuk simtotik dengan nilai d yang bertambah besar, maka :1) ( ; or) 1 ( (3.31)3.8KETERLAMBATAN WAKTU UNTUK BREAKDOWNPada bagian sebelumnnya, mekanisme dari kegagalan percikan dianggap sebagai fungsi dari proses ionisasi pada kondisi lapangan seragam. Tapi pada prakteknya, breakdownyangterjadi disebabkanolehberubahnyategangan (tegangan impuls). Ada perbedaan waktu anatar penerapan dari tegangan yang cukup untuk menyebabkan breakdown dan kemunculan breakdown itu sendiri. Perbedaan waktu ini disebut keterlambatan waktu atau time lag.Walau bagaimanapun, dengan tegangan yang bervariasi tinggi dalam waktuyangsingkat (10-6s) elektronyangdiperlukantidakdijumpai di dalam celah, dandalamkondisi seperti ini, breakdowntidakdapat terjadi. Waktut yang terjadi antara penetapan tegangan yang cukup dapat menyebabkan terjadinya breakdown dan dalam peristiwa pemunculan elektron yang diperlukan perbedaan waktustatistik (ts) dari celah. Permunculan dari elektron-elektron inibiasanya terdistribusisecara statistik setelah kemunculan elektron awal, waktu yang diperlukan untuk proses ionisasisupaya dapat berkembang danmenyebabkanbreakdownpadacelahdanwaktuini disebut perbedaan waktu pembentukan( tt ). Waktu keseluruhan ts + tt = t, disebut juga perbedaan waktu total.Perbedaan waktu iniadalah merupakan hal yang perlu dipertimbangkan. Supaya breakdown dapat terjadi, tegangan V yang digunakan harus lebih besar daripada tegangan statis Vs, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.9. Perbedaan atau selisih tegangan V =V.V disebut sebagai tegangan lebih dan perbandinganV/Vsdisebut perbandinganimpuls. Variasi antarattdengan 18Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama Manjangtegangan lebih (v) ditunjukkan pada Gambar 3.10. Karakteristik waktu volt dari peralatan-peralatanelektronikyangsangat pentingdalamkoordinasi isolasi, ditunjukkan pada Gambar 3.11. Dari gambar 3.11 dapat dilihat bahwa sebuah celah batang mempunyai tegangan gagal lebih tinggi dari tegangan gagal dari objek yang berbentuk bulat.Gambar 3.9Kegagalan pada bagian muka tegangan impuls(sumber : M.S. Neudu K. 1985)Gambar3.10Formative time lag (tf) sebagai fungsi Va, b dan c adalah lebar celah yang berbedao adalah nilai hasil percobaan(sumber : M.S . NaeduK. 1985)19tWaktuTegangan yang jatuhVSVTeganganVTeknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama ManjangGambar 3.11Kurva karakteristik lecutan yang menggunakan tegangan impuls(sumber : M.S. NaeduK. , 1985)3.9. TEORI STREAMER DARI BREAKDOWN GASMekanisme Townsend ketika diterapkan dalam breakdown pada tekanan atmosfir ternyatamempunyai beberapakekurangan. Pertama, menurut Teori Townsend, pertumbuhan hanya arus muncul sebagaihasil dari proses-proses ionisasi. Tapi ternyata pada prakteknya., tegangan breakdown yang ditemukan bergantung pada tekanan gas dan ukuran dari celah. Kedua, mekanisme tersebut diperkirakan perbedaan waktu berdasarkan urut-urutan dari 10-5 detik, sementara dalampraktek nyatanya, breakdown ditemukan muncul dalam waktu-waktuyangsangat singkat berdasarkanurutandari 10-8detik. Ketiga mekanisme Townsend memperkirakan bentuk yang sangat panjang dari penghentianarus, ternyatapadakenyataannya, penghentianarusditemukan merupakan hal yang biasa. Mekanisme Townsend juga gagal dalam menyelesaikan semua fenomena yang telah diobservasi dan sebagai hasilnya, sekitar tahun 1940, Raether, Meek dan Loeb secara terpisah mengajukan Teori Streameter.20WaktuSikatTransformatorCelah bulatTegangan impulasCelah batangTeknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama ManjangTeori Streameter ini memperkirakan perkembangan dari sebuah percikan yang muncul langsung dari sebuah longsoran tunggal dimana arus dikembangkanolehlongsorantersebut, danmerubahbentukdari longsoran menjadi pita plasma. Perhatikan Gambar 3.12, sebuah elektron tunggal berawal dari katoda dengan ionisasi membentuk sebuah longsoran yang menyeberangi celah. Elektron-elektron dalam longsoran ini bergerak sangat cepat jika dibandingkan dengan ion-ion positif.Padasaat elektron-elektronmencapai anoda, io-ionpositif beradapada posisi sebenarnya dan memebentuk sebuah medan positif pada anoda. Hal ini akanmenaikanmedan, danlongsoran-longsorankeduaakanterbentukdari bebeberapaelektronyangdihasilkandari prosesfoto-ionisasi. Hal ini akan muncul pertama-tamadidekat anodadimanatekananruangdalamkeadaan maksimum. Hasil ini akan meningkatkan lebih jauh tekanan dalamruang. Proses ini terjadi sangat cepat dan ruangan dengan arus positif akan ditambahkan pada katoda dengan sangat cepat sebagai hasil dari pembentukan sebuah pita.Gambar 3.12Efek muatan ruang akibat banjiran elektron(sumber : M.S. Naedu K..,1985)Jalur jalur sempit bercahaya yang muncul pada breakdown saat tekanan tinggi disebut pita21Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama Manjang(streamer) pada saat ujung dari pita mendekati katoda, sebuah titik katoda akan terbentuk, dan sebuah arus darielektron-elektron bergerak cepat darikatoda untuk menetralisir medan positif dari pita, hasilnya adalah sebuah percikan dan breakdown percikan telah muncul. Tiga tahapan yang berurutan dalam perkembangandari pitaini ditunjukkansecaradiagrampadagambar 3.13. dimana(a)menunjukkantahapdimanalongsorantelahmenyeberangi celah, (b) menunjukkan bahwa pita telah menyeberangi setengah dari panjang celah dan(c) menunjukkanbahwacelahtelahdijembatani olehsebuahsaluran konduksi.Gambar 3.13Streamer langsung katoda(sumber : M.S. Naedu K., 1985)Meek mengajukan sebuah kriteria kuantitatif sederhana untuk memperkirakan medan elektrik yang mengubah bentuk longsoran menjadi pita medan Er dihasilkan oleh medan tekanan pada radius r, diberikan oleh :cm Vp xxEr/) / () exp(10 27 . 57 (3.32)Dimana adalah koefisien ionisasi pertama Townsend, P adalah tekanan gasdalamsatuantorr, danxadalahjarakdimanapitatelahditambahkan dalam celah. Menurut Meek, breakdown tegangan minimum dicapai pada saat Er = E dan x = d pada persamaan diatas.22Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama Manjang1]1

+1]1

+ 1]1

+ pdIn21pEIn 5 . 14pIn d (3.33)Persamaan ini dapat dipecahkan antara /p dan E/p pada saat dimana p dan d yangdiberikan memenuhipersamaan.Tegangan breakdown diberikan oleh produk yang berhubungan dengan E dan d.Kriteriasederhanadi atasmemungkinkanterjadinyakesesuaianantara teganganbreakdownyangdiperkirakan. Teori ini jugasesuai dengankawat pijar yang diobservasi, saluran-saluran melengkung dan saluran-saluran percikan yang bercabang. Banyak keraguan dalam mekanisme Townsend saat ditetapkanpadabreakdowngasbertekanantinggi yangmenyeberangi celah yang lebar.Masalah yang masih kontroversialadalah menentukan mekanisme mana yangberlakupadakondisi medanyangseragampadakisarannilai tertentu. Secara umum hal ini masih diasumsikan bahwa pada nilai dibawah 1000 torr-cmdan tekan gas bervariasi antara 0,01 sampai 300 torr, mekanisme Townsend berlaku, sementara pada tekanan dan nilaipada yang lebih tinggi. Mekanisme Streamer memainkan peranan yang dominan dalam menjelaskan fenomena breakdown.3.10 HUKUM PASCHENSeperti yangtelahditunjukkansebelumnnya, kriteriabreakdowndalam gas diketahui sebagai berikut : [exp (d) 1] = 1 (3.34)Dimana koefisien dan merupakan fungsi dari E/p yaitu :

,_

pEfp1dan

,_

pEf2(3.35)23Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama ManjangdVE Dengan menggantikan nilai E untuk dan maka akan didapat 1 ] 1 [exp1 2 ;'

,_

,_

pdVpdfpdVf(3.36)Persamaan (3.35) ini menunjukkanhubunganantaraVdanpd, dan menunjukkan bahwategangan breakdown bervariasi danbergantungpada jenis gas. Setelah mengetahuisifat-safat dan fungsiF1dan F2maka ditulikan kembali Persamaan 3.35 sebagai berikut :) ( pd f VPersamaan (3.35) dikenalsebagai hukum Paschen, dan telah diterapkan dalameksperimen-ekperimenuntuk bermacam-macamgas danmerupakan sebuah hukum yang sangat penting dalam rekayasa tegangan tinggi.KurvaPaschen, hubunganantaraVdanpdditunjukkandalamGambar 3.14untuktigajenisgasyaituCO2, udara, danH2. Dapat dilihat bahwa hubunganantaraVdan(pd) bukanmerupakangarislurusdanmempunyai sebuah nilai minimum untuk setiap gas. Tegangan breakdown minimum untuk bermacam-macam gas tertera pada Tabel 3.1.Tabel 3.1. Tegangan gagal berbagai gasGas Vs min(V)pd at Vs min(torr-cm)AirArgonH2HeliumCO23271372731564200.5670.91.154.00.5124Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama ManjangN2N2OO2SO2H2S2514184504574140.670.50.70.330.6(Sumber : M.S. Naedu. K., 1985)Eksistansi dari percikan potensial dalam kurva Paschen dapat dijelaskan sebagai berikut :Untuknilai-nilai pada>(pd)min, elektron-elektronyangmenyeberang celah membuat tubrukan antara molekul-molekul gas lebih sering terjadi daripada (pd)min, tetapi energi yang dihasilkan antara tubrukan-tubrukan tersebut lebih rendah. Oleh sebab itu, tegangan yang lebih tinggi harus dipakai supaya breakdown dapat muncul.Meskipun demikian, pada beberapa macam gas, hukum Paschen tidak benar-benar dapat diterapkan, danpotensi percikanpadajarakyanglebih besar untuk nilaiyang telah diketahuiadalah lebih tinggidaripada jarak yang lebihrendah untuk nilai yangsama. Hal ini akan menunjukkanhubungan elektron-elektron yang hilang dan celah akibat dari penyebaran.Potensipercikanuntuk celahmedanyangseragam dalam udara,CO2 danH2padasuhu20oC ditunjukkanpadaGambar 3.14seperti yangtelah diobservasi bahwa bahan katoda juga berpengaruh terhadap nilai-nilai breakdown. Ini ditunjukkan dalamGambar 3.15 untuk katoda-katoda yang terbuat dari Barium, Magnesium dan Aluminium.25Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama ManjangGambar 3.14Tegangan kegagalan ; pd untuk udara, karbondiaksida, dan hidrogen(sumber : M.S. Naedu K., 1985)Dalamrangka untuk menghitung pengaruh dari temperatur, hukum Paschen secara umumdinyatakan sebagai V=f (Nd) dimana Nadalah kerapatan dari molekul-molekul gas. Hal ini diperlukan karena tekanan dari gas berubah dengan temperatur menurut hukum gas pv = NRT, dimana V adalah volume gas T adalah temperatur dan R merupakan konstanta.Berdasarkandari hasil-hasil percobaan, potensi breakdowndari udara dinyatakan sebagai fungsi tenaga :2 / 176029308 . 676029322 . 24

,_

+

,_

TpdTpdV(3.37)Gambar 3.1526Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama ManjangHubungan tegangan kegagalan terhadap bahan katoda(sumber : M.S. Naedu K., 1985)Hal yang dapat dicatat dati persamaan (3.37) adalah tegangan breakdown pada tekanan dan temperatur yang sama adalah tidak tetap.Pada 760 torr 293o K.cm kVdd V E /08 . 622 . 24 / ,_

+ (3.38)Persamaan ini meghasilkan nilaipembatas untuk E = 24 kV/ cm untuk celahpanjangdannilai 30kV/ cmuntuk=

,_

Tpd760293, yangberarti bahwa tekanan sebesar 760 torr pada suhu 20oC dengan lebar celah 1 cm. Ini adalah kekuatan breakdown normal dari udara pada temperatur ruangan dan tekanan atmosfer.3.11 POST BREAKDOWN PHENOMENA DAN APLIKASINYAPost breakdown phenomea adalah sebuah fenomena setelah kegagalan terjadi. Pada post breakdown fenomena terdapat dua buah gejala, yaitu glow danarc discharge. Pada townsend discharge (Gambar 3.16) arus akan meningkat secara bertahap sebagai fungsi dari tegangan. Sampai dengan titik B, arus akan terus meningkat sedangkan tegangan akan bernilaitetap. Maka discharge (pelepasan akan mulai beralih dari townsend discharge menjadi glow discharge(BC). Padatahapini kenaikanarusakanmenurunkansedikit nilai tegangan (CD). Jika arus terus bertambah maka tegangan akan kembali naik, tetapi jika kenaikan terjadi terus maka penurunan nilai tegangan akan menjadi semakinbesar. Ini adalahdaerahdariarcdischarge(EG). Fenomenayang terjadi pada daerah CG adalah post breakdown phenomena , yang terdiri dari glow discharge (CE) dan arc discharge (EG).3.11.1 GLOW DISCHARGE27Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama ManjangGlowdischarge mempunyai karakteristik menyebarkan cahaya yang terang. Warna dari cahaya akan bergantung dari bahan katoda dan gas yang digunakan.Glowdischargeakanmeliputi sebagiandari katoda, sedangkan padaanodaakanmenghasilkancahayaperalihandari gelapketerang. Ini adalah gejala yang kita kenalsebagaiglow dischargeyang normal. Jika arus padapadaglowdischargeini meningkat terussehinggadischargemeliputi seluruhpermukaandari katodamakaini akanmenjadiglowdischargeyang abnormal. Padaglowdischarge, penurunantegangandiantarakeduabuah elektroda (katoda dan anoda) adalah konstan, berkisar antara 75 sampai300 Volt, dengan nilai arus berkisar antara 1 mA sampai dengan 100 mA, tergantung dari gas yang digunakan. Penelitian mengenai glow discharge dapat diaplikasikanuntukvoltageregulationtube(tabungpengaturantegangan), rectifier dan oscillator.3.11.2 ARC DISCHARGEJika arus yang mengalir diantara katoda dan anoda lebih besar dari 1 Ampere, maka penurunan tegangan tiba-tiba akan menjadi sangat besar. Cahaya yang ditimbulkan akan menjadi sangat terang. Gejala inilah yang kita kenaldengan sebutan arc discharge,arus pada katoda akan menjadisangat besar (103to107A/ cm2). Arcdischargeberhubungandengantemperatur yang tinggi, berkisar antara 1000oC sampairibuan derajat celcius.Pelepasan muatanpadaterdiri dari elektron(dominan)danionpositif, yangdisebutarc plasma.Penelitian tentangarcdischargedapatdigunakanpadacircuit breaker dankontaktor. Selain itu, sebuah lampu karbon jugabekerja berdasarkan prinsip ini. Aplikasi lainnya, adalah sebagai alat untuk memotong logam, aplikasi yang paling baru dari arc discharge ini adalah sebagai sebuah pembangkit energi listrikyangmenggunakanplasmapadasuhuyangtinggi. Pembangkit suhuyangtinggi. Pembangkit listrikini kitakenal dengannama magneto-hydro dynamic (MHD).28Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama ManjangGambar 3.16Kurva pelepasan dengan menggunakan elektroda tidak bersudut(sumber : M.S. Naedu K., 1985)3.12 PERTIMBANGAN TEKNIS DALAM MEMILIH GAS SEBAGAI ISOLATORDalambeberapa tahun ini, banyak pertimbangan yang menentukan dalammemilih jenis gas yang digunakan untuk bahan isolator. Sebelum memilih jenis gas tertentu, ada baiknya kita mengetahuibagaimana sifat dari gas tersebut dan komposisi dari gas tersebut serta faktor apa saja yang menentukankinerjadari gastersebut. secaragarisbesar gas, gasdielektrik yang bagus untuk tegangan tinggi, mempunyai karakteristik sebagai berikut:(a) Kekuatan dielektrik yang tinggi(b) Kekuatan termal yang memadai(c) Tidak mudah terbakar(d) Temperatur kondensasi yang rendah(e) mempunyai sifat transfer panas yang bagus(f) harganya relatif murahSulfur hexaflorida (SF6) adalah salah satu jenis gas yang dapat memenuhikualifikasidiatas,dan telah digunakan secara luas sebagaibahan isolator. Dari beberapapersyaratandiatas, kekuatandielektrikadalahyang terpenting.3.12.1 ISOLASI VAKUM29Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama ManjangIde untuk menggunakan vacum insulation, telah lama dipikirkan. Sesuai dengan teori Townsend, arus yang terjadi pada celah antara katoda dan anoda, disebabkan karena aliran partikelyang terlepas dari ikatannya. Jika tidak ada sama sekali partikel yang mengalir diantara celah (vakum yang sempura ) maka tidak akan ada sifat konduktor yang terdapat di celah tersebut, akibatnya arus tidak akan mengalir pada celah tersebut, Dalam hal ini vacum adalah insulator yangsempurna. Tetapi padakenyataannyadalampraktek, kegagalanmasih dapat saja terjadi.a. Apakah vakum itu ?Keadaan vakum adalah keadaan dimana tekanan yang terjadi jauh dibawah tekanan atmosfer. Pada sistem vaccum tekanan ini selalu dinyatakandalamcmair raksa(cmHg), dimanapadakeadaan standard, 1 atmosfer berarti 76 cm Hg pada suhu 00C . Bentuk cm Hg telah distandarkan menjadi sebuah satuan lain yang kita kenal dengan nama T o r r , dimana 1 mm Hg sama dengan 1 torr pada keadaan vaccum. Vaccum dapat diklasifikasikan menjadi :High vaccum : 1 10-3 sampai 1 10-6 TorrVery high Vacum : 1 10-6 sampai 1 10-8 TorrUltra high : 1 10-9 kebawahUntuk tujuan insulator listrik biasanya dipakai high vaccum, 1 10- 3 sampai 1 10-6 Torr.b. Proses kegagalan pada vacumPada proses kegagalan townsend telah dijelaskan bahwa elektron akan bertambah banyak melalui beberapa jenis proses ionisasi, dan terjadilah banjiran elektron (avalance). Pada high vaccum, elektroda dipisahkanbeberapacentimeter, sebuahelektronyangbergerak menyeberangi celah tersebut akan bergerak tanpa mengalami tumbukan, maka dariitu arus yang timbulpada celah tidak dapat dikatakan sebagai akibat dari banjiran elektron. Namun begaimanapunjugasebuahelektronyangbergerakbebaspada 30Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama Manjangcelah akan menyebabkan proses kegagalan sama seperti teori townsend juga.Selama 70 tahun terakhir ini, banyak teori yang mengemukakan tentang proses kegagalan dalam Vaccum. Namun secara garis besar, dapat dikelompokkan menjadi 3 bagian yaitu :(a) Mekanisme pertukaran partikel (particle exchange mechanism)(b) Mekanisme pemanasan anoda(anode heating mechanism)(c) Teori Clump(A) MEKANISME PERTUKARAN PARTIKEL Padamekanismeini (Gambar 3.18) diasumsikan, pelepasanpartikel padasalahsatuelektrodaakanmenyebabkanterjadinyapelepasan elektroda pada bagian elektroda yang lainnya. Misalkan sebuah elektronterlepas dari sisi katoda, makaelektronini akanbergerak menuju ke anoda, ketika sampai di katoda, elektron ini akan menumbuk permukaan darikatoda, tumbukan iniakan menyebabkan ion positifdanphotonterlepasdari anoda.Ionpositif danphoton ini jugaakanbergerakmenujukekatoda, danmenumbukpermukaan katodakembali, tumbukanini akanmenyebabkanbeberapaelektron terlepas daripermukaan katoda, kajadian initerus-menerus berulang. Kegagalan akanterjadi karenaperistiwaakumulasi tumbukandiatas. Isulator vakum ini dapat dikatakan gagal, bila terjadi keadaan homogen antara ion positif dengan elektron pada celah udara.G a m b a r3 . 1 8M e k a n i s m ep ert u k a r a np a r ti k e lp a d ap e r i s ti w ak e g a g a l a nv a k u m( s u m b e r:M. S . N a e d uK. ,1 9 8 5 )31Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama Manjang(B) MEKANISME PEMANASAN ANODAPadateori ini, dianggapelektron-elektronyangterlepaspadabagian katoda(lihat padaGambar 3.19) akanbergerak menujukeanoda, elektron yang bergerak ini akan menumbuk dinding dari anoda, tumbukan yang bertubi-tubi dari elektro ini akan menyebabkan kenaikan suhu pada permukaan darianoda.Karena pengaruh darimedan listrik yang tinggidan adanya pemanasan pada permukaan anoda maka ion positif dari anoda akan terlepas juga.Gambar 3.19Mekanisme pemanasan mikroproyektildi permukaan katoda(sumber: M.S. Naedu K., 1985)MEKANISME CLUMPDasar pemikiran teori Clump ini adalah sebagai berikut :1. Sekumpulan partikel yang merugikan (clump) berkumpul pada permukaan katoda2. Karenapengaruhdari tegangantinggi, partikel ini akanterlepasdan bergerak dengan kecepatan tinggi menyeberangi celah (gap) menuju ke anoda.3. Kegagalan akan mulai terjadi pada saat partikel yang terlepas dari katoda tersebut menumbuk permukaan dari anoda.32Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama ManjangProses yang terjadi(lihat Gambar 3.20) selanjutnya sama sepertiyang terjadi pada mekanisme lainnya, tumbukan ini akan menyebabkan terlepasnya partikel darianoda, selanjutnya partikel-partikel yang terlepas darianoda dan katoda akanbercampur padacelahudara, sehinggaakanmenyebabkankeadaan homogen pada celah udara ini. Maka proses kegagalan terjadi .Gambar 3.20(a,b,c) Mekanisme Clump pada kegagalan Vakum(sumber : M.S. Naedu K., 1985)33