Kegagalan Isolasi

Isolasi berfungsi untuk memisahkan bagian bagian yang mempunyai beda tegangan agar supaya diantara bagian bagian tersebut tidak terjadi lompatan listrik (flsh-over) atau percikan (spark-over). Kegagalan isolasi pada peralatan tegangan tinggi yang terjadi pada saat peralatan sedang beroperasi bisa menyebabkan kerusakan alat sehingga kontinyuitas sistem menjadi terganggu. Dari beberapa kasus yang terjadi menunjukkan bahwa kegagalan isolasi ini berkaitan dengan adanya partial discharge. Partial discharge ini dapat terjadi pada material isolasi padat, material ioslasi cair dan juga material isolasi gas. Mekanisme kegagalan pada material isolasi padat meliputi kegagalan asasi (intrinsik), elektro mekanik, streamer, termal dan kegagalan erosi. Pada material isolasi gas kegagalan terutama disebabkan oleh mekanisme Townsend dan mekanisme streamer. Sedangkan kegagalan pada material isolasi cair disebabkan oleh adanya kavitasi, adanya butiran pada zat cair dan tercampurnya material isolasi cair.

Dan untuk lebih jelasnya, kegagalan isolasi baik itu isolasi cair, isolasi padat, dan isolasi gas akan dibahas dibawah ini.

Kegagalan Isolasi Cair

Mekanisme Kegagalan Isolasi Cair

Ada beberapa alasan mengapa isolasi cair digunakan, antara lain yang pertama adalah isolasi cair memiliki kerapatan 1000 kali atau lebih dibandingkan dengan isolasi gas, sehingga memiliki kekuatan dielektrik yang lebih tinggi menurut hukum Paschen. Kedua isolasi cair akan mengisi celah atau ruang yang akan diisolasi dan secara serentak melalui proses konversi menghilangkan panas yang timbul akibat rugi energi. Ketiga isolasi cair cenderung dapat memperbaiki diri sendiri (self healing) jika terjadi pelepasan muatan (discharge). Namun kekurangan utama isolasi cair adalah mudah terkontaminasi.Beberapa macam faktor yang diperkirakan mempengaruhi kegagalan minyak transformator seperti luas daerah elektroda, jarak celah (gap spacing), pendinginan, perawatan sebelum pemakaian (elektroda dan minyak ), pengaruh kekuatan dielektrik dari minyak transformator yang diukur serta kondisi pengujian atau minyak transformator itu sendiri juga mempengaruhi kekuatan dielektrik minyak transformator.

Berikut ini beberapa faktor yang mempengaruhi mekanisme kegagalan yaitu :

PartikelKetidak murnian memegang peranan penting dalam kegagalan isolasi. Partikel debu atau serat selulosa dari sekeliling dielektrik padat selalu tertinggal dalam cairan. Apabila diberikan suatu medan listrik maka partikal ini akan terpolarisasi. Jika partikel ini memiliki permitivitas e 2 yanglebih besar dari permitivitas carian e 1, suatu gaya akan terjadi pada partikel yang mengarahkannya ke daerah yang memiliki tekanan elektris maksimum diantara elektroda elektroda. Untuk partikel berbentuk bola (sphere) dengan jari jari r maka besar gaya F adalah :

Jika partikel tersebut lembab atau basah maka gaya ini makin kuat karena permitivitas air tinggi. Partikel yang lain akan tertarik ke daerah yang bertekanan tinggi hingga partikel partikel tersebut bertautan satu dengan lainnya karena adanya medan. Hal ini menyebabkan terbentuknya jembatan hubung singkat antara elektroda. Arus yang mengalir sepanjang jembatan ini menghasilkan pemanasan lokal dan menyebabkan kegagalan.

AirAir yang dimaksud adalah berbeda dengan partikel yang lembab. Air sendiri akan ada dalam minyak yang sedang beroperasi/dipakai. Namun demikian pada kondisi operasi normal, peralatan cenderung untuk mambatasi kelembaban hingga nilainya kurang dari 10 %. Medan listrik akan menyebabkan tetesan air yang tertahan didalam minyak yang memanjang searah medan dan pada medan yang kritis, tetesan itu menjadi tidak stabil. Kanal kegagalan akan menjalar dari ujung tetesan yang memanjang sehingga menghasilkan kegagalan total.

GelembungPada gelembung dapat terbentuk kantung kantung gas yang terdapat dalam lubang atau retakan permukaan elektroda, yang dengan penguraian molekul molekul cairan menghasilkan gas atau dengan penguatan cairan lokal melalui emisi elektron dari ujung tajam katoda. Gaya elektrostatis sepanjang gelembung segera terbentuk dan ketika kekuatan kegagalan gas lebih rendah dari cairan, medan yang ada dalam gelembung melebihi kekuatan uap yang menghasilakn lebih banyak uap dan gelembung sehingga membentuk jembatan pada seluruh celah yang menyebabkan terjadinya pelepasan secara sempurna.

Sifat-Sifat Listrik Cairan IsolasiSifat sifat listrik yang menentukan unjuk kerja cairan sebagai isolasi adalah :

Withstand Breakdown kemampuan untuk tidak mengalami kegagalan dalam kondisi tekanan listrik (electric stress ) yang tinggi.

Kapasitansi Listrik per unit volume yang menentukan permitivitas relatifnya.Minyak petroleum merupakan subtansi nonpolar yang efektif karena meruapakan campuran cairan hidrokarbon. Minyak ini memiliki permitivitas kira-kira 2 atau 2.5 . Ketidak bergantungan permitivitas subtansi nonpolar pada frekuensi membuat bahan ini lebih banyak dipakai dibandingkan dengan bahan yang bersifat polar. Misalnya air memiliki permitivitas 78 untuk frekuensi 50 Hz, namun hanya memiliki permitivitas 5 untuk gelombang mikro.

Faktor daya

Faktor dissipasi daya dari minyak dibawah tekanan bolak balik dan tinggi akan menentukan unjuk kerjanya karena dalam kondisi berbeban terdapat sejumlah rugi rugi dielektrik. Faktor dissipasi sebagai ukuran rugi rugi daya merupakan parameter yang penting bagi kabel dan kapasitor. Minyak transformator murni memiliki faktor dissipasi yang bervariasi antara 10-4 pada 20 oC dan 10-3pada 90oC pada frekuensi 50 Hz.

ResistivitasSuatu cairan dapat digolongkan sebagai isolasi cair bila resitivitasnya lebih besar dari 109

W-m. Pada sistem tegangan tinggi resistivitas yang diperlukan untuk material isolasi adalah 1016 W-m atau lebih. (W=ohm)

Kekuatan Dielektrik

Kekuatan dielektrik merupakan ukuran kemampuan suatu material untuk bisa tahan terhadap tegangan tinggi tanpa berakibat terjadinya kegagalan. Kekuatan dielektrik ini tergantung pada sifat atom dan molekul cairan itu sendiri. Namun demikan dalam prakteknya kekuatan dielektrik tergantung pada material dari elektroda, suhu, jenis tegangan yang diberikan, gas yang terdapat dalam cairan dan sebagainya yang dapat mengubah sifat molekul cairan. Dalam isolasi cairan kekuatan dielektrik setara dengan tegangan kegagalan yang terjadi.Dalam upaya memberikan gambaran tentang kekuatan dielektrik maka akan lebih memudahkan bila dua dielektrik seri ditinjau. Dalam hal ini medan dianggap seragam, arus bocor diabaikan dan konsentrasi fluks pada pinggiran juga diabaikan.

Oleh karena perpindahan (displacement) netral sama, maka :En1 En2 Dn1=Dn2

e1En1=e2En2

x1 x2 En1=(v1/x1) dan En2=(v2/x2)

e1, e2 adalah permitivitas

v1, v2 adalah tegangan tiap dielektrik

Jika n buah dielektrik dalam hubungan seri maka gradien atau kuat medannya pada titik x adalah :

Jika terdapat lapisan udara, minyak dan padat yang tebalnya 0.5 inci dengan permitivitas masing-masing 1, 2 dan 4; tegangan V=280 kV. Berdasarkan rumus diatas gradien tegangan udara 320 volt/mil, minyak 160 volt/mil dan bahan padat 80 volt/mil. Oleh karena itu udara mulai gagal saat 54 volt/mil, minyak pada saat 200 volt/mil dan bahan padat pada saat 25- - 300 volt/mil.

Kegagalan Isolasi Padat

Mekanisme Kegagalan Bahan Isolasi PadatUraian masing masing jenis kegagalan pada bahan isolasi padat adalah :

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 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 bila tegangan V dinaikkan lagi. Jadi kekuatan listrik maksimumnya

adalah  . Dimana :F :gaya yang bekerja pada zat padat,  L: 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  0r:permitivitas

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 Isolasi Gas

Mekanisme Kegagalan Isolasi GasProses 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 elektron

Saat ini dikenal dua mekanisme kegagalan gas yaitu : Mekanisme Townsend

Mekanisme Streamer

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 = a 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+ = a Ne.(t).dt; dimana :

a : koefisien ionisasi TownsenddN+: junlah ion positif baru yang dihasilkanNe : jumlah total elektronVd : kecepatan luncur elektron

Pada medan uniform, a konstan, Ne = N0, x = 0 sehingga Ne = N0 e a x

Jum;lah elektron yang menumbuk anoda per detik sejauh d dari katoda sama dengan jumlah ion positif yaitu N+ = N0 ea

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 e a d >> 1 maka À 0 e a d secara teoritis menjadi tak terhingga, tetapi dalam praktek hal ini dibatasi oleh impedansi rangkaian yang menunjukkan mulainya percikan.

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 a e a x dx sehingga :

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

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

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

o Rongga terhubung langsung pada elektroda

o Rongga dalam isolasi

o Rongga yang dipisahkan oleh elektroda

o Permukaan elektroda

o Titik elektroda yang berbentuk kanal

o Rongga isolasi yang berbentuk kanal

Kesimpulan1. Partial discharge merupakan proses atau peristiwa pelepasan/loncatan bunga api listrik

yang terjadi pada suatu bagian bahan isolasi yang disebabkan oleh adanya beda potensial yang tinggi dalam bahan isolasi.

2. Partial discharge dapat terjadi pada bahan isolasi padat, bahan isolasi cair maupun bahan isolasi gas.

3. Kegagalan pada bahan isolasi padat meliputi : kegagalan intrinsik, kegagalan elektromekanik, kegagalan streamer, kegagalan termal dan kegagalan erosi.

4. Kegagalan pada bahan isolasi cair meliputi:

1. Kegagalan elektronik pada zat cair

2. Kegagalan gelembung (kavitasi) yang disebabkan oleh permukaan elektroda yang tidak merata, adanya tabrakan elektron, penguapan cairan dan akibat perubahan suhu dan tekanan

3. Kegagalan bola cair dalam zat cair

4. Kegagalan butiran padat dalam zat cair

5. Mekanisme kegagalan pada bahan isoalsi gas meliputi mekanisme kegagalan Townsend dan mekanisme kegagalan streamer