DASAR TEORIPENGUJIAN BAHAN ISOLASI GAS (UDARA)

Keperluan panel daya listrik untuk peralatan sector daya di gardu induk transmisidan distribusi, gardu induk,gardu pabrik dan gardu pembangkit dan dipusat - pusat beban listrik yang sangat banyak, telah memberi dorongan untuk memahami perawatannya. Juga penciptaan system daya tegangan serta pemasangannya.

Cara pengoperasian panel, antisipasi perluasan panel cara perawatan kekuatan rangka dan dinding panel, cara perawatan kekuatan rangka dan dinding panel, kemungkinan kesalahan hubung singkat, semua hal tersebut menjadi pertimbangan dalam mendesain panel daya listrik menengah. Pada panel berisolasi udara factor kelembaban, kontaminasi, masuknya gas eksplosif uap korosif, debu, binatang-binatang kecil masih merupakan suatu masalah. Dengan menggunakan gas SF6 sebagai isolasi komponen utama, didalam panel baja kedap udara maka semua komponennya terlindung dari faktor - faktor diatas. Busbar panel diletakkan dalam selubung isolasi perfasa. Sambungan panel dengan panel atau blok panel diberikan dengan menggunakan busbar sumber Ca berbasis semi konduktif. Sifat isolasi SF6 menghambat percikan api di kontak - kontak tetap.

Penggunaan panel-panel dengan isolasi gas mempunyai kemungkinan terjadi kegagalan isolasi antara lain disebabkan oleh partial discharge. Partial discharge (pelepasan partial) merupakan peristiwa pelepasan atau loncatan bunga api listrik yang terjadi pada suatu bagian isolasi pada rongga dalam atau permukaan sebagai akibat adanya beda potensial tinggi dalam isolasi tersebut partial discharge dapat terjadi bahan isolasi padat maupun gas.

Isolasi memiliki peranan yang sangat penting dalam sistem tenaga listrik. Isolasi sangat diperlukan untuk memisahkan dua atau lebih penghantar listrik yang bertegangan sehingga antara penghantar penghantar tersebut tidak terjadi lompatan listrik atau percikan. 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. Proses yang terpenting dalam mekanisme primer adalah proses katoda, pada proses ini diawali dengan pelepasan elektron oleh suatu elektroda yang diuji, peristiwa ini akan mengawali terjadinya kegagalan percikan (spark breakdown). Elektroda yang memiliki potensial rendah (katoda) akan menjadi elektroda yang melepaskan elektron. Elektron awal yang dibebaskan

(dilepaskan) oleh katoda akan memulai terjadinya banjiran elektron dari permukaan katoda. Jika jumlah elektron yang dibebaskan makin lama makin banyak atau terjadinya peningkatan banjiran maka arus akan bertambah dengan cepat sampai terjadi perubahan pelepasan dan peralihan pelepasan ini akan menimbulkan percikan (kegagalan) dalam gas.

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 karena memiliki kekuatan 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 tembus isolasi udara lebih kecil daripada tegangan tembus minyak.

Partial discharge dari kegagalan bahan isolasiPartial discharge (peluahan parsial) adalah peristiwa

pelepasan/loncatan bunga api listrik yang terjadi pada suatu bagian isolasi (pada rongga dalam atau pada permukaan) sebagai akibat adanya beda potensial yang tinggi dalam isolasi tersebut Partial discharge dapat terjadi pada bahan isolasi padat, bahan isolasi cair maupun bahan isolasi gas. Mekanisme kegagalan pada bahan isolasi padat meliputi kegagalan asasi (intrinsik), elektro mekanik, streamer, thermal dan kegagalan erosi. Kegagalan pada bahan isolasi cair disebabkan oleh adanya kavitasi, adanya butiran pada zat cair dan tercampurnya bahan isolasi cair. Pada bahan isolasi gas mekanisme townsend dan mekanisme streamer merupakan penyebab kegagalan. Dari uraian di atas menunjukkan bahwa kegagalan isolasi ini berkaitan dengan adanya partial discharge.

Pengukuran partial discharge pada peralatan tegangan tinggi merupakan hal yang sangat penting karena dari data data yang diperoleh dan interpretasinya dapat ditentukan reability suatu peralatan yang disebabkan oleh penuaan (agging) dan resiko kegagalan dapat dianalisa. Spesifikasi pengujian partial discharge tergantung pada tipe peralatan tes dan bahan isolasi yang digunakan pada proses konstruksi suatu peralatan.

Adanya partial discharge di dalam bahan isolasi dapat ditentukan dengan tiga metode yaitu : dengan pengukuran tegangan pada objek, dengan pengukuran arus di dalam rangkain luar dan mengukur intensitas radiasi gelombang

elektromagnetik yang disebabkan karena adanya partial discharge.Mekanisme Kegagalan Isolasi Gas

Proses dasar dalam kegagalan isolasi gas adalah ionisasi benturan oleh elektron. Ada dua jenis proses dasar yaitu :

Proses primer, yang memungkinkan terjadinya banjiran elektron

Proses sekunder, yang memungkinkan terjadinya peningkatan banjiran elektronPada saat penerapan tegangan dilakukan, bermacam

fenomena terjadi dalam dielektrik gas. Ketika tegangan yang diterapkan adalah rendah, maka arus yang mengalir diantara elektroda tersebut adalah kecil sehingga isolator masih dapat menahan sifat listriknya. Akan tetapi bila arus yang diterapkan 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-sustaining discharge), dan

2. Pelepasan yang tidak bertahan sendiri (non-self-sustaining discharge)

Mekanisme kegagalan gas, yang biasa disebut percikan, adalah peralihan dari pelepasan tak bertahan ke berbagai jenis pelepasan yang tak bertahan ke berbagai jenis pelepasan yang bertahan sendiri. Percikan (spark) biasanya terjadi secara tiba-tiba.

Sifat 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-partikel penghantar dianggap sebagai dasar yang menentukan dalam terjadinya proses ionisasi.1. Mekanisme Kegagalan Townsend

Pada proses primer, elektron yang dibebaskan bergerak cepat sehingga timbul energi yang cukup kuat untuk menimbulkan banjiran elektron. Jumlah elektron Ne pada lintasan sejauh dx akan bertambah dengan dNe, sehingga elektron bebas

tambahan yang terjadi dalam lapisan dx adalah dNe =  Ne.dx . Ternyata jumlah elektron bebas dNe yang bertambah akibat proses ionisasi sama besarnya dengan jumlah ion positif dN+ baru yang dihasilkan, sehingga

dNe = dN+ = Ne.(t).dt; dimana :  : koefisien ionisasi Townsend dN+ : junlah ion positif baru yang dihasilkan Ne : jumlah total elektron Vd  : kecepatan luncur elektron

Pada medan uniform,  konstan, Ne = N0, x = 0 sehingga Ne = N0   x . Jumlah elektron yang menumbuk anoda per detik sejauh d dari katoda sama dengan jumlah ion positif yaitu N+ = N0  

 x

Jumlah elektron yang meninggalkan katoda dan mencapai anoda adalah : 

Arus ini akan naik terus sampai terjadi peralihan menjadi pelepasan yang bertahan sendiri. Peralihan ini adalah percikan

dan   diikuti oleh perubahan arus dengan cepat dimana karena   d >> 1 maka  0   d secara teoritis menjadi tak terhingga, tetapi dalam praktek hal ini dibatasi oleh impedansi rangkaian yang menunjukkan mulainya percikan.

Persamaan di atas menjelaskan rata-rata total arus dalam celah sebelum kegagalan terjadi. Pada jarak antara elektroda d yang semakin besar, angka persamaan mendekati nol. Dan pada saat jarak kritis d = d, maka :

1 [ exp (d) 1 ] = 0Untuk harga d < ds , I dianggap sama dengan I0 dan jika

sumber supply eksternal I0 dipindahkan, maka I akan menjadi nol. Jika d = ds, 1 dan arus hanya dibatasi oleh tahanan dari power supply rangkaian luar. Maka kondisi ini disebut mekanisme kegagalan Townsend. Mekanisme ini dapat dituliskan sebagai:

d = ds, I Umumnya, nilai exp(d) adalah besar dan karenanya

persamaan di atas direduksi menjadi : [ exp (d) 1 ] = 1

Pada keadaan celah ruangan dan pemberian tekanan pada nilai tegangan V, dimana nilai yang diberikan yaitu d adalah memenuhi dalam kriteria kegagalan, maka ini disebut sebagai gagal percikan V, dan jarak ds, disebut jarak percikan.

Mekanisme Townsend menjelaskan tentang fenomena kegagalan yang hanya terjadi pada tekanan yang rendah lebih tepatnya untuk P dan d (tekanan gas dan lebar celah), dan ini bernilai sebesar 1000 torr-cm ke bawah.2. Mekanisme Kegagalan Streamer

Ciri utama kegagalan streamer adalah postulasi sejumlah besar foto ionisasi molekul gas dalam ruang di depan streamer dan pembesaran medan listrik setempat oleh muatan ruang ion pada ujung streamer. Muatan ruang ini menimbulkan distorsi medan dalam sela. Ion positif dapat dianggap stasioner dibandingkan elektron-elektron yang begerak cepat dan banjiran elektron terjadi dalam sela dalam awan elektron yang membelakangi muatan ruang ion positif. Medan Er yang dihasilkan oleh muatan ruang ini pada jari jari R adalah

Pada jarak dx, jumlah pasangan elektron yang dihasilkan adalah    x dx sehingga :

R adalah jari jari banjiran setelah menempuh jarak x, dengan rumus diffusi R= (2Dt). 

Dimana t = x/V sehingga   Dimana :N : kerapatan ion per cm2, e : muatan elektron ( C ),  0  : permitivitas ruang bebas, R : jari jari (cm), V : kecepatan banjiran, dan D : koefisien diffusi.Lokasi dan Pengukuran Partial Discharge

Partial discharge yang merupakan peristiwa pelepasan/loncatan bunga api listrik pada suatu bagian dari bahan isolasi padat kemungkinan terjadinya meliputi pada :

Rongga terhubung langsung pada elektroda Rongga dalam isolasi Rongga yang dipisahkan oleh elektroda Permukaan elektroda Titik elektroda yang berbentuk kanal Rongga isolasi yang berbentuk kanal