4.5 Breakdown pada dielektrik padat dalam pengaplikasiannyaDielektrik adalah sejenis bahan isolator istrik yang dapat dikutubkan (dipolarisasi) dengan cara menempatkan bahan dielektrik dalam medan listrik. Ketika bahan ini berada dalam medan listrik, muatan listrik yang terkandung didalamnya tidak akan mengalir, sehingga tidak timbul arus seperti bahan konduktor, tapi hanya sedikit bergeser dari posisi setimbangnya mengakibatkan terciptanya pengutuban dielektrik. Oleh karena pengutuban dielektrik, muatan positif bergerak menuju kutub negatif medan listrik, sedang muatan negatif bergerak pada arah berlawanan (yaitu menuju kutub positif medan listrik) Hal ini menimbulkan medan listrik internal (di dalam bahan dielektrik) yang menyebabkan jumlah keseluruhan medan listrik yang melingkupi bahan dielektrik menurun. Jika bahan dielektrik terdiri dari molekul-molekul yang memiliki ikatan lemah, molekul-molekul ini tidak hanya menjadi terkutub, namun juga sampai bisa tertata ulang sehingga sumbu simetrinya mengikuti arah medan listrik.Walaupun istilah "isolator" juga mengandung arti konduksi listriknya rendah, seperti "dielektrik", namun istilah "dielektrik" biasanya digunakan untuk bahan-bahan isolator yang memiliki tingkat kemampuan pengutuban tinggi yang besarannya diwakili oleh konstanta dielektrik. Contoh umum tentang dielektrik adalah sekat isolator di antara plat konduktor yang terdapat dalam kapasitor. Pengutuban bahan dielektrik dengan memaparkan medan listrik padanya merubah muatan listrik pada kutub-kutub kapasitor.Istilah "dielektrik" pertama kali dipergunakan oleh William Whewell (dari kata "dia" dari yunani yang berarti "lewat" dan "elektrik") sebagai jawaban atas permintaan dari Michael Faraday.Dan untuk bahan pembentuk material dielektrik, dapat dikelompokan menjadi dielektrik cair, gas dan padat. Breakdown pada material elektrik akan melewatkan arus kedalam elektrik yang pada awalnya memiliki kemampuan konduksi yang rendah. Dalam dielektrik padat , ketika bahan dielektrik terbuat dari bahan yang benar-benar murni dan tidak ada kecacatan (homogeny), ketahanannya untuk mencapai breakdown cukup besar 10MV/cm. Ini biasa disebut intrinsic breakdown. Pada kenyataannya, nilai yang di dapat cenderung lebih kecil. selain intrinsic breakdown dan breakdown yang disebabkan oleh panas (thermal breakdown) ada beberapa alasan lain terjadinya breakdown seperti breakdown yang disebabkan oleh penggunaan dielektrik dalam jangka lama yang menyebabkan tracking, pembentukan celah konduksi atau breakdown akibat perubahan sifat kimia dielektrik seperti elektrolisis 4.5.1 Pelemahan dan Breakdown yang berhubungan dengan sifat Kimia dan elektrokimia bendaKeberadaan udara dan gas dielektrik lainnya akan mempersulit perubahan kimia ketika diarahkan ke sumber tegangan konstan. Beberapa reaksi kimia yang terjadi adalah :Oksidasi : akibat keberadaan udara dan oksigen, material seperti karet dan polyethylene akan kesulitan beroksidasi sehingga meningkatkan terbentuknya retak-retak pada permukaanHidrolisis : ketika air atau uap air berada pada permukaan dielektrik padat, hidrolisis akan terjadi dan material akan kehilangan ketahanan elektrik dan mekaniknya seperti kertas, kapas, dan material berserat lainnya akan melemah sifat /ketahanan elektriknya akibat hidrolisis.Aksi Kimia : ketika material pembentuk dielektrik yang berbeda saling bersentuhan, reaksi kimia antar material dapat terjadi yang menyebabkan terjadinya breakdown.Pelemahan akibat Pengaruh elektrokimia dan kimia dapat diminimalisir dengan mempelajari dan menguji bahan material secara hati-hati. Contohnya : insulator berjenis kaca dengan kandungan soda yang tinggi harusnya dijauhkan dari kondisi basah atau lembab, karena sodium bersifat mobile yang akan membentuk alkali kuat yang menyebabkan pelemahan pada dielektrik. Hasil percobaan menunjukkan bahwa insulator jenis ini akan berubah sifat mekanik dalam 24 jam jika dibiarkan dialam terbuka yang memiliki tingkat kelembaban 100% dengan suhu sekitar 70 derajat celcius.Insulator jenis kertas, pada umumnya pelemahan akibat perubahan kimia dan elektrokimia cenderung meningkat akibat temperature yang naik, sehingga temperature yang tinggi seharusnya dihindari.4.5.2 Breakdown akibat treeing dan trackingKetika dielektrik padat dihadapkan pada tegangan medan listrik dalam jangka lama, umumnya ada dua penampakan jelas dari material dielektrik.(a). Adanya celah konduksi melewati permukaan isolator(b). Adanya mekanisme dimana terjadinya kebocoran arus, arus melewati celah konduksi yang menyebabkan terjadinya spark (percikan listrik).Jalur spark (berupa celah konduksi) terbentuk selama fase tracking dan dan karena bentuknya seperti dahan pohon maka disebut treeing.Kita bayangkan sebuah dielektrik padat yang memiliki sebuah lapisan /selaput konduksi dan dua buah elektroda pada permukaannya. Dalam pengaplikasianya, lapisan / selaput konduksi sering terbentuk akibat kelembaban. Ketika dialiri tegangan, selaput mulai berkonduksi menghasilkan panas dan permukaannya menjadi kering. Sehingga selaput konduksi terpisah-pisah dan spark muncul merusak permukaan dielektrik. Pada isolator organic seperti bakelit dan kertas, dielektrik akan berkarbonasi pada daerah munculnya spark, dan akan menjadi celah konduksi yang permanen sehingga menambah beban pada dielektrik. Hal ini terus terjadi sampai daerah karbonasi tadi akan menghubungkan antara dua elektroda, dan ketika itu terjadi maka kegagalan (breakdown) akan terjadi. Inilah yang disebut proses kumulatif. Dan umumnya sering terjadi pada lapisan bakelit, kertas dan jenis solulosa lainnya.Dilain pihak, treeing terjadi karena tiap-tiap ujung spark yang menyentuh material akan menyebabkan erosi pada material.erosi menyebabkan permukaan menjadi kasar sehingga menjadi sumber debu dan kotoran. Ini akhirnya menyebabkan bertambahnya konduktivitas akibat pertambahan celah konduksi yang menjembatani elektroda, atau disebut kegagalan mekanik dielektrik.

Gambar diatas merupakan sebuah dielektrik yang diapit oleh dua elektroda. Pada gambar 4.4 menunjukkan bahwa elektroda 1 untuk menuju elektroda 2 harus melalui sebuah media yang memiliki jarak d1. D1 dapat kita asumsikan media dielektrik berupa udara. Setelah itu, ada d2 yang merupakan dielektrik padat . Sedangkan tegangan yang berada pada dielektrik udara dilambangkan dengan v1 dan tegangan yang melewati dielektrik padat, v2. Tegangan v1 dapat kita cari dengan rumus :

Dengan V adalah tegangan yang digunakan.Karena 2 > 1, tegangan akan muncul melewati d1, celah udara (dielektrik udara). Spark (percikan listrik) akan muncul pada celah udara dan menyentrum beberapa daerah pada permukaan dielektrik. Terkadang aktivitas spark (percikan listrik) ini akan menimbulkan erosi pada permukaan dielektrik. Seiring berjalannya waktu, kanal-kanal akibat erosi oleh spark akan membentuk seperti sebuah pohon. Inilah yang disebut treeing.4.5.3 Breakdown akibat Internal DischargesPada dielektrik padat biasanya mengandung ruang kosong atau kavitas pada medium atau pada pembatas antara elektroda dan dielektrik. Umumnya ruang kosong ini diisi oleh dielektrik berkekuatan menengah atau rendah. Jika dielektrik yang mengandung kavitas dialiri tegangan maka didalam medium tersebut terjadi perbedaan medan listrik, karena kavitas mengandung medium dielektrik lebih rendah maka medan listrik dikavitas akan besar. Besarnya medan listrik dikavitas terkadang lebih besar dari batas katahanan breakdown material, jika itu terjadi maka akan terjadi breakdown.

Jika kita menggambarkan dielektrik (fig 4.5 a) kedalam rangkaian listrik maka akan membentuk C1, kapasitansi ruang kosong / kavitansi, C2, kapasitansi dielektrik yang seri dengan kavitansi dan C3, kapasitansi dielektrik selain C2. Kita dapat menentukan nilai v1 ,

Dimana V adala tegangan sumber. Sedangkan d1 adalah ketebalan kavitansi dan d2 adalah ketebalan dielektrik. Biasanya d1