TEKNIK TEGANGAN TINGGIKEGAGALAN PADA ISOLASI PADAT DAN CAIR

OLEH:

BAHROWI ADI WIJAYA( 2211 105 013 )

JURUSAN TEKNIK ELEKTROFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIINSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBERSURABAYA2012

KEGAGALAN PADA ISOLASI PADAT DAN CAIR

A. MEKANISME KEGAGALAN PADA ISOLASI PADATMekanisme kegagalan pada suatu bahan isolasi padat merupakan sebuah fenomena kompleks. Mekanisme kegagalan pada bahan isolasi padat dapat diklasifikasikan dengan mengacu pada waktu dan penerapan tegangannya sebagai berikut:1. Kegagalan asasi (ionic / intrinsic)2. Kegagalan elektromekanik (electromechanical)3. Kegagalan streamer atau avalanche4. Kegagalan termal (thermal)5. Kegagalan erosi (erosion)6. Kegagalan kimia dan elektrokimia7. Kegagalan akibat fenomena treeing dan trackingDari beberapa kegagalan tersebut, dapat dibentuk sebuah kurva pengklasifikasian sebagai berikut:

Gambar 1. Macam-macam kegagalan berdasarkan waktu dan penerapan tegangannya

A.1 Kegagalan asasi (Ionic / intrinsic) Kegagalan jenis ini merupakan kegagalan paling sederhana karena disebabkan oleh jenis dan suhu suatu bahan (tanpa ada tekanan, bahan elektroda, ketidakmurnian, dan kantong udara). Kegagalan ini terjadi jika tegangan dinaikkan hingga 106 Volt/cm dengan waktu sangat singkat yaitu 10-8 detik. Kegagalan ini juga sangat tergantung dengan elektron bebas yang berpindah dari suatu bahan dielektrik. Kuat dielektrik terbesar diperoleh ketika seluruh pengaruh luar diisolasi dan harganya bergantung pada struktur material dan suhu. Kekuatan listrik maksimum adalah 15 MV/cm untuk polyvinyl-alcohol pada suhu -196oC. Kekuatan maksimum biasanya berkisar antara 5 MV/cm dan 10 MV/cm.

A.2 Kegagalan elektromekanik (electromechanical) Kegagalan jenis ini terjadi akibat tekanan elektrostatis karena perbedaan polaritas antara elektroda yang mengapit zat isolasi padat. Tekanan mekanis yang terjadi disebabkan karena adanya tekanan elektrostatis. Tekanan mekanis timbul karena gaya tarik menarik F antar elektroda. Seperti ditunjukkan pada gambar 2 berikut.

Gambar 2. Gaya tarik menarik F antar elektroda Besar tegangan pada zat isolasi dapat dinyatakan dengan rumus dari Stark dan Garton: (1)

Di mana, d0= Tebal zat isolasi padat sebelum terkena tegangand= Tebal zat isolasi padat setelah terkena tegangan= Permitivitas bahan dielektrik

A.3Kegagalan streamer atau avalanche Proses kegagalan streamer pada isolasi padat sama seperti proses kegagalan streamer pada isolasi gas. Elektron yang memasuki pita konduksi (band conduction) di katoda akan bergerak menuju anoda. Energi elektron akan melebihi energi ionisasi saat melintas pada lintasan bebas yang cukup panjang dan akan bertambah ketika terjadi benturan antar elektron. Elektron akan kehilangan energi saat elektron membentur dinding anoda. Ketika suatu tegangan V pada suatu zat padat di antara dua elektroda, maka pada medium yang berdekatan akan timbul tegangan. Karena kegagalan tersebut maka akan jatuh sebuah muatan pada permukaan zat padat, sehingga medan yang tadinya seragam akan terganggu. Karena medan ini lebih besar dari kekuatan intrinsik, maka akan terjadi kegagalan pada zat padat tersebut. Proses kegagalan ini terjadi sedikit demi sedikit sehingga akhirnya zat padat gagal seluruhnya.

A.4Kegagalan termal (thermal) Kegagalan ini terjadi panas yang ditimbulkan akibat konduksi arus yang mengalir pada media dielektrik. Aliran arus akan menyebabkan suhu meningkat sehingga panas terbentuk. Panas yang dihasilkan ditransfer ke permukaan luar dielektrik zat padat. Energi panas yang dihasilkan dapat dirumuskan sebagai berikut:

(2)Dimana, = Konduktivitas listrikE = Tekanan listrikEnergi panas yang dihasilkan dalam medan dapat dirumuskan sebagai berikut:.(3)Dimana, f = Frekuensi (Hz) = Sudut rugi material dielektrikE = Tekanan listrik (rms)

Sedangkan disipasi panas (WT) dapat dirumuskan sebagai berikut:

(4) Dimana, = Spesifikasi panas pada bahan = Suhu bahanK = Konduktifitas termal bahant= waktu disipasi panas

Sehingga kondisi breakdown dapat ditunjukkan pada sebuah kurva pada gambar 3 berikut. Di mana E1 dan E1 merupakan panas yang dihasilkan, sedangkan TA dan TB merupakan batas suhu breakdown yang terjadi.

Gambar 3. Kegagalan termal pada dielektrik zat padat

Di mana sumbu vertikal merupakan energi disipasi panas sedangkan sumbu horizontal merupakan suhu suatu bahan. Pemanasan terjadi pada nilai E1 dan E2 dan titik breakdown termal ditunjukkan oleh TA dan TB.

A.5Kegagalan Erosi (Erosion) Kegagalan Erosi disebabkan karena zat isolasi tidak sempurna. Ketidaksempuranaan tersebut karena terdapat lubang atau rongga dalam bahan isolasi. Lubang atau rongga terisi gas atau cairan yang kekuatan breakdownnya lebih kecil dari kekuatan zat padat. Benturan antar elektron pada anoda mengakibatkan lepasnya ikatan kimiawi pada isolasi padat. Kenaikan suhu karena peluruhan ion positif menyebabkan ketidakstabilan termal sehingga dinding zat padat akan rusak, rongga menjadi semakin besar dan bahan isolasi menipis.

A.6 Kegagalan kimia dan elektrokimia Terdapat beberapa reaksi kimia yang terjadi: Oksidasi: merupakan terdapatnya kandungan udara atau oksigen pada bahan isolasi Hidrolisis: peristiwa munculnya embun air atau uap air pada permukaan bahan isolasi Aksi kimiawi:peristiwa peningkatan maupun penurunan sifat kimia suatu bahan isolasi sehingga menyebabkan proses kimiawi tidak stabil

A.7 Kegagalan treeing dan tracking- Kegagalan Treeing:Percikan yang terjadi pada suatu bahan isolasi padat akan menyebar selama proses pembentukan karbon dan membentuk cabang-cabang yang menyerupai pohon. Peristiwa ini menyebabkan retakan pada bahan isolasi padat sehingga lama-kelamaan bahan isolasi akan mengalami breakdown.

- Kegagalan Tracking:Terbentuknya karbonasi di daerah terjadinya percikan api, yang selanjutnya karbonasi yang terbentuk akan bertindak sebagai saluran konduksi permanen yang kemudian dapat meningkatkan tekanan yang berlebih. Peristiwa ini menyebabkan terjadinya jembatan karbon di antara elektroda sehingga menyebabkan kegagalan isolasi pada zat padat.

B. MEKANISME KEGAGALAN PADA ISOLASI CAIRPembahasan mengenai mekanisme kegagalan pada isolasi cair yaitu mengenai kemampuan konduksi dan peristiwa kegagalan benda cair, mekanisme partikel yang melayang-layang, mekanisme gelembung dan kavitasi, mekanisme kegagalan termal, mekanisme volume yang tertekan, konduksi karena adanya cairan lain, konduksi dan kegagalan cairan.Teori kegagalan zat isolasi cair dapat dibagi menjadi empat jenis, yaitu:

B.1 Kegagalan zat murni atau elektronik Proses kegagalan yang terjadi dalam zat cair dianggap serupa dengan yang terjadi dalam gas. Terdapat electron berada pada zat cair sehingga electron inilah yang akan memulai proses kegagalan isolasi. Di antara elektroda diterapkan suatu kuat medan. Sedangkan pada elektroda tersebut terdapat permukaan yang tidak rata atau runcing, maka kuat medan terbesar berada pada bagian yang runcing tersebut. Electron-elektron tertentu akan memperoleh energi dari medan yang lebih besar dari pada energi yang hilang karena benturan dengan molekul-molekul.

B.2Kegagalan gelembung atau kavitasi pada zat cair Kegagalan ini merupakan bentuk kegagalan zat cair karena terdapat gelembung gas pada isolasi zat tersebut. Penyebab timbulnya gelembung gas menurut Kao Krasucki adalah permukaan elektroda yang tidak rata, adanya tabrakan elektron, peristiwa penguapan cairan, dan zat cair yang dikenai perubahan suhu dan tekanan.

B.3Kegagalan bola cair dalam zat cair Suatu zat isolasi cair mengandung sebuah bola cair dari jenis cairan lain, maka dapat terjadi kegagalan akibat ketidakstabilan bola cair tersebut dalam medan listrik. Bola cair yang dikenai medan listrik E akan berubah bentuk menjadi sferoida dengan medan dalamnya sebesar E2.

B.4Kegagalan butiran padat dalam zat isolasi cair Kegagalan ini adalah jenis kegagalan yang disebabkan oleh butiran zat padat dalam isolasi cair sehingga terjadi kegagalan isolasi. Adanya butiran penghantar di antara elektroda akan mengakibatkan pembesaran medan dalam zat isolasi zat cair di dekat permukaan butiran. Apabila medan dalam cairan tanpa butiran melebihi tegangan gagal cairan maka akan terjadi kegagalan setempat yang kemudian menimbulkan gelembung-gelembung yang akhirnya dapat mengakibatkan breakdown total. Gerakan butiran oleh suatu gaya F dihambat oleh kekentalan cairan dan proses difusi butiran tersebut.

B.5Kegagalan campuran zat cair cair-padat Kegagalan isolasi cair-padat biasanya disebabkan oleh proses pemburukan oleh rugi-rugi dielektrik. Ada dua jenis pemburukan yang dapat mengakibatkan kegagalan isolasi cair-padat yaitu pemburukan karena pelepasan dalam (internal discharges) dan pemburukan elektro kimiawi Pelepasan dalam (internal discharges) terjadi jika campuran dielektrik zat cair padat memiliki kekuatan gagal zat yang berbeda-beda. Jika tekanan listrik dinaikkan, maka terjadi kegagalan zat yang lebih lemah. Pemburukan elektro kimiawi terjadi saat ion-ion yang dibebaskan oleh arus pada elektroda dapat menyebabkan kerusakan. Derajat kerusakannya tergantung pada sifat ion yang terbawa dan pada saat kimiawinya dengan isolasi.