TUGAS MAKALAH GEJALA MEDAN TINGGIKONDUKSI DAN BEAKDOWN PADA ISOLASI GAS UDARA DAN KORONA

Disusun Oleh :Desta Hadi Surya :( 11010013 )Jurusan / Semester : Tehnik Elektro / 5

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH LAMPUNG2014

ABSTRAKBahan isolasi merupakan alat yang digunakan untuk memisahkan bagian-bagian yang bertegangan atau bagian-bagian yang aktif. Bahan isolasi merupakansuatu peralatan yang digunakan sebagai pembatas dan pengaman pada peralatanlistrik yang mempunyai kekuatan listrik yang cukup untuk menjamin sistemkeselamatan yang diperlukan pada saat peralatan listrik tersebut beroperasimaupun tidak beroperasi. Jika fungsi dari bahan ini, fungsi utamanya sebagaipengisolasi maka dinamakan bahan isolasi, sedangkan bilamana fungsi utamanyasebagai penyimpan muatan listrik maka bahan ini dinamakan bahan dielektrik. Didalam bahan ini elektron terikat kuat pada atom nukleusnya sehingga konduksioleh elektron tidak akan terjadi.Udara dan gas adalah suatu dielektrik yang paling mudah ditemukan, yangmana banyak digunakan sebagai bahan untuk mengisolasi peralatan listriktegangan tinggi. Pada saat penerapan tegangan dilakukan, bermacam fenomenaterjadi dalam dielektrik gas. Ketika tegangan yang diterapkan adalah rendah,maka arus yang mengalir diantara elektroda tersebut adalah kecil sehingga isolatormasih dapat menahan sifat listriknya. Akan tetapi bila arus yang diterapkan adalahbesar, maka arus yang mengalir dalam elektroda meningkat tajam dan inimenyebabkan terjadinya suatu kegagalan listrik, yang mana ditandai denganpelepasan, yang mana ditandai dengan pelepasan muatan listrik (discharge).Kegagalan ini menyebabkan hilangnya tegangan dan mengalirnya arus dalambahan isolasi.Kegagalan listrik yang terjadi di udara atau gas, pertama-tama tergantungdari jumlah elektron bebas yang ada di udara atau gas tersebut. Konsentrasielektron bebas ini dalam keadaan normal sangat kecil dan ditentukan olehpengaruh radioaktif dari luar. Proses dasar pelepasan dalam gas yangbertanggungjawab dalam terjadinya kegagalan adalah : Ionisasi karena benturanelektron, ionisasi karena cahaya (fotoionisasi), ionisasi karena panas, prosesionisasi kedua dan proses penggabungan (rekombinasi). Mekanisme kegagalanpada bahan isoalsi gas meliputi mekanisme kegagalan townsend dan mekanismekegagalan streamer.

KATA PENGANTARPuji dan syukur penulis aturkan Kepada Tuhan Yang Maha Esa , karenaatas berkat dan rahmatnya,tugas makalah ini dapat diselesaikan tepat padawaktunya .Tugas makalah ini merupakan perwujudan usaha saya untuksenantiasamenambah wawasan.Dalam pelaksaan ini penulis banyak mendapat bantuan dariberbagai pihakyang tidak mungkin disebut satu persatu. Untuk itu penulis mengucapkan terimakasih sedalam-dalamnya kepada semua pihak yang telahmembantu pelaksanaan penulisan ini.Penulis menyadari bahwa tugas makalah ini masih jauh dari kata empurna sehingga penulis tidak menutup diri untuk menerima kritik dansarandaripembaca, pada akhir kata, besar harapan penulisan semoga makalah inidapatbermanfaat bagi pembaca.

ISOLATOR GAS Pada umumnya isolator gas digunakan sebagai media isolasi dan penghantar panas. Beberapa hal yang perlu diperhatikan pada isolator gas ini adalah ketidakstabilan temperatur, ketidaknormalan sifat kedielektrikan pada tekanan yang tinggi dan resiko ledakan dari gas yang digunakan.

Berdasarkan kekuatan dielektrik,rugi-rugi dielektrik, stabilitas kimia,korosi, dll, isolator gas dapat diklasifikasikan menjadi :

1. Gas sederhana, contohnya :a. Udarab. Nitrogenc. Heliumd. Hidrogen , dan lain-lain2. Gas Oksida, contohnya :a. Gas karbondioksidab. Gas Sulphur dioksida3. Gas Hidrokarbon, contohnya :a. Methanab. Ethanac. Propana dan lain-lain4. Gas Elektronegatif, contohnya :a. Gas Sulphur hexafloridab. CH2Cl2

Dalam pemilihan jenis isolator gas yang dipergunakan, perlu diperhatikan sifat dari kedielektrikan gas yang digunakan pada temperatur dan tekanan dimana gas tersebut akan digunakan sebagai media isolasiBeberapa sifat dari isolator gas sebagai media isolasi yang perlu diperhatikan antara lain yaitu :

1. Sifat Kelistrikan, yang mencakup antara lain :a. Tahanan isolasib. Kekuatan Dielektrikc. Faktor Dayad. Konstanta Dielektrike. Rugi-rugi dielektrik2. Temperatur, 3. Sifat Kimia, dan4. Sifat Mekanisa. kerapatan volumeb. viskositasc. absorpsi kelembamand. tekanan permukaan,dllMekanisme Kegagalan Isolasi GasDalam mekanisme tembus listrik bahan isolasi,ada beberapa peristiwa/proses yang berperan di dalamnya, antara lain :a. Ionisasi, yaitu peristiwa terlepasnya elektron dari ikatan atom netral sehingga menghasilkan satu elektron bebas dan ion positifb. Deionisasi, yaitu peristiwa dimana satu ion positif menangkap elektron bebas sehingga ion positif tersebut menjasi atom netralc. Emisi, yaitu peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan logam menjasi elektron bebasProses 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 TownsendPada 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 Ne.dx . Ternyata jumlah elektron bebas dalam lapisan dx adalah dNe = dNe yang bertambah akibat proses ionisasi sama besarnya dengan jumlah Ne.(t).dt; ion positif dN+ baru yang dihasilkan, sehingga dNe = dN+ = dimana : : koefisien ionisasi TownsenddN+ : jumlah ion positif baru yang dihasilkan Ne : jumlah total elektronVd : kecepatan luncur elektronkonstan,Ne = N0, x = Pada medan uniform,x sehinggaNe = NO Jumlah elektron yang menumbuk anoda per detik sejauh d dari katoda sama dengan jumlah ion positif yaitu N+ = N0 xJumlah 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 d diikuti oleh perubahan arus dengan cepat dimana karena >> d secara teoritis menjadi tak terhingga, tetapi O 1 maka 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 x dx sehingga : elektron yang dihasilkan adalah R adalah jari jari banjiran setelah menempuh jarak x, dengan rumus diffusi R= (2Dt). Dimana t = x/V sehinggadimana :N : kerapatan ion per cm2, e : muatan elektron ( C ), 0 : permitivitas ruang bebas, R : jari jari (cm), V : kecepatan banjiran, dan D : koefisien diffusi.

Udara Udara merupakan bahan isolasi yang mudah didapatkan, mempunyai tegangan tembus yang cukup besar yaitu sekitar 30 kV/cm. kalau dua buah elektroda yang dipisahkan dengan udara mempunyai beda potensial yang tinggi yaitu tegangan yang melebihi tegangan tembus, maka akan timbul loncatan bunga api. Bila tegangan itu dinaikkan lagi, maka akan terjadi busur api. Besarnya tegangan tembus dipengaruhi oleh tekanan udara. Secara umum,makin besar tekanannya, main besar pula tegangan tembusnya. Tetapi pada keadaan pakemjustru tegangan tembus akan menjadi lebih besar. Keadaan yang demikian inilah yang justru digunakan atau diterapkan pada peralatan listrik.Sulphur Hexa FluoridaSulphur Hexa Fluorida (SF6) merupakan suatu gas bentukan antara unsur sulphur dengan fluor dengan reaksi eksotermis :S + 3 F2 SF6 + 262 kilo kaloriSampai saat ini SF6 merupakan gas terberat yang mempunyai massa jenis 6.139 kg/m3 yaitu sekitar 5 kali berat udara pada suhu 00 celcius dan tekanan 1 atmosfir.Sifat dari SF6 sebagai media pemadam busur api dan relevansinya pada sakelar pemutus beban adalah :a. Hanya memerlukan energi yang rendah untuk mengoperasikan mekanismenya. Pada prinsipnya, SF6 sebagai pemadam busur api adalah tanpa memerlukan energi untuk mengkompresikannya, namun semata-mata karena pengaruh panas busur api yang terjadi.b. Tekanan SF6 sebagai pemadam busur api maupun sebagai pengisolasi dapat dengan mudah dideteksic. Penguraian pada waktu memadamkan busur api maupun pembentukannya kembali setelah pemadaman adalah menyeluruhd. Relatif mudah terionisasi sehingga plasmanya pada CB konduktivitas tetap rendah dibandingkan pada keadaan dingin. Hal ini mengurangi kemungkinan busur api tidak stabil dengan demikian ada pemotongan arus dan menimbulkan tegangan antar kontak.e. Karakteristik gas SF6 adalah elektro negatif sehingga penguraiannya menjadikan dielektriknya naik secara bertahapf. Transien frekuensi yang tinggi akan naik selama operasi pemutusan dan dengan adanya hal ini busur api akan dipadamkan pada saat nilai arusnya rendah.Dibawah ini terdapat pendapat beberapa ahli tentang isolator gas. Yaitu Brophy, John R. (Valencia, CA), dkk.1. Sebuah isolator tegangan tinggi gas yang terdiri dari: elemen pertama memiliki bahan dielektrik sumbu dan membentuk inti dengan sebagian besar permukaan luar silinder berpusat pada kata kata sumbu inti mempunyai dasar memperluas permukaan inti dalam pesawat secara substansial tegak lurus terhadap sumbu . kedua berbentuk cangkir sebagian besar unsur bahan dielektrik yang mencakup lengan baju yang erat kata mengelilingi inti dan secangkir dasar dengan permukaan yang menghadap upwardly yang terletak di bawah facewise kata terhadap permukaan inti. kata inti memiliki substansial memperluas lubang yang sejajar dengan sumbu untuk kata kata bawah permukaan inti, kata sebuah alur di bawah permukaan inti kata yang memanjang hingga ke permukaan silinder luar, dan sebagian besar di kata alur heliks silinder yang memiliki permukaan luar ujung bawah kata berkomunikasi dengan alur di kata bawah permukaan inti dan ujung atas yang berlawanan dan berarti termasuk elemen konduktif listrik, membentuk lorong-lorong berkomunikasi dengan kata inti lubang dan ujung atas kata sebagian besar alur heliks, untuk melewati therethrough gas.2. Sebuah isolator tegangan tinggi gas yang terdiri dari: elemen pertama yang mencakup inti bahan dielektrik memiliki silinder pinggiran dan memiliki berseberangan termasuk bagian bawah. elemen kedua yang meliputi bahan dielektrik lengan memiliki lubang silinder diameter yang sama seperti kata inti dan yang erat kata menerima inti, kata membentuk elemen kedua dari bawah permukaan di bagian bawah kata lubang, ujung bawah kata inti berbohong facewise melawan kata bawah permukaan. kata inti memiliki alur heliks secara substansial di pinggiran, membentuk sebagian besar kata heliks bagian antara inti dan lengan, kata heliks bagian atas dan bawah memiliki berakhir. kata inti memiliki sumbu silinder berpusat pada periferal dan mengatakan sebagian besar inti memiliki lubang vertikal dengan memperluas atas kata yang sejajar dengan sumbu untuk kata inti bagian bawah, kata bagian bawah kata heliks kata bagian inti berbaring di bagian bawah, dan berkata inti telah alur di bagian bawah kata inti yang memanjang dari kata vertikal dasar lubang untuk kata akhir kata heliks bagian. berarti membentuk lorong digabungkan untuk kata atas kata akhir heliks bagian untuk melewati gas yang melewati kata heliks bagian dan sepasang masing-masing anggota konduktif listrik digabungkan ke puncak kata lubang vertikal dan untuk berkata berarti membentuk sebuah lorong.

Bentuk Isolator Gas

Contoh Isolator 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

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 : 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

Kegagalan pada Isolasi gas

Proses dasar ionisasi Ion merupakan atom atau gabungan atom yang memiliki muatan listrik, ion terbentuk apabila pada peristiwa kimia suatu atom unsur menangkap atau melepaskan elektron. Proses terbentuknya ion dinamai dengan ionisasi. Jika diantara dua elektroda yang dimasukkan dalam media gas diterapkan tegangan V maka akan timbul suatu medan listrik E yang mempunyai besar dan arah tertentu yang akan mengakibatkan elektron bebas mendapatkan energi yang cukup kuat menuj kearah anoda sehingga dapat merangsang timbulnya proses ionisasi .

Ionisasi karena Benturan ElektronJika gradien tegangan yang ada cukup tinggi maka jumlah elektron yang diionisasikan akan lebih banyak dibandingkan dengan jumlah ion yang ditangkap molekul oksigen. Tiap-tiap elektron ini kemudian akan berjalan menuju anoda secara kontinu sambil membuat benturan-benturan yang akan membebaskan elektron lebih banyak lagi. Ionisasi karena benturan ini merupakan proses dasar yang penting dalam kegagalan udara atau gas.

Mekanisme Kegagalan Gas

Proses kegagalan dalam gas ditandai dengan adanya percikan secara tiba-tiba, percikan ini dapat terjadi karena adanya pelepasan yang terjadi pada gas tersebut. Mekanisme kegagalan gas yang disebut percikan adalah peralihan dari pelepasan tak bertahan sendiri ke berbagai pelepasan yang bertahan sendiri[3]. Proses dasar yang paling penting dalam kegagalan gas adalah proses ionisasi karena benturan, tetapi proses ini tidak cukup untuk menghasilkan kegagalan. Proses lain yang terjadi dalam kegagalan gas adalah proses atau mekanisme primer dan proses atau mekanisme sekunder.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 banjiranmaka arus akan bertambah dengan cepat sampai terjadi perubahan pelepasan dan peralihan pelepasan ini akan menimbulkan percikan (kegagalan) dalam gas.Electrical breakdown terjadi di dalam sebuah gas (atau campuran berbagai gas, seperti udara) saat gas itu memiliki kuat dielektrik yang berlebihan. Kawasan tekanan listrik yang tinggi bisa menyebabkan gas di dekatnya mengalami ionisasi sebagian dan mulai bersifat konduktif. Hal ini dilakukan dengan sengaja dalam lucutan/pengosongan bertekanan rendah seperti dalam lampu pendarfluor (lihat pula pengosongan elektrostatik) atau dalam sebuah pengendap elektrostatik.Tembus listrik sebagiannya udara menyebabkan ozon berbau "udara segar" saat terjadi hujan badai berpetir atau ozon di sekitar peralatan tegangan tinggi. Meski udara biasanya merupakan isolator yang sempurna, tapi saat ditekan oleh tegangan tinggi (kuat medan listriknya sekitar 3 x 106V/m[1]), udah mulai terurai, menjadi bersifat konduktif sebagian. Jika tegangannya cukup tinggi, dadalan elektrik udara yang sepenuhnya akan berpuncak pada loncatan bunga api listrik atau busur elektrik yang menjembatani seluruh celah percik. Loncatan bunga api listrik yang ditimbulkan oleh listrik statis mungkin sedikit kedengaran, tapi latu elektrik yang lebih besar sering dibarengi dengan bunyi yang keras. Kilat merupakan salah satu contoh dari loncatan bunga api listrik yang sangat besar dan panjangnya mencapai bermil-mil. Warna latu elektrik tergantung pada gas-gas yang menyusun media gas.

Pengosongan elektrostatik memperlihatkan filamen-filamen plasma yang mirip kilat dari sebuah kumparan Tesla.Jika sekering atau pemutus sirkuit gagal merintangi arus melalui latu elektrik dalam sebuah rangkaian tenaga, arus terus melaju, membentuk busur elektrik yang sangat panas. Warna latu elektrik sangat bergantung pada bahan konduktor (saat bahan konduktor itu menguap dan bercampur di dalam plasma panas di dalam busur). Meski latu dan lompatan bunga api listrik biasanya tidak diinginkan, kedua fenomena itu bisa berguna dalam penerapan sehari-hari seperti busi untuk mesin bensin, pengelasan listriknya logam, atau peleburan logam di dalam sebuah tanur busur listrikHubungan voltase-arusSebelum dadalan, terdapat hubungan non-linear di antara voltase dan arus seperti yang diperlihatkan dalam gambar. Dalam wilayah 1, terdapat ion-ion bebas yang bisa diakselerasikan oleh medan dan menginduksikan arus. Ion-ion bebas akan dijenuhkan setelah tegangan tertentu dan memberikan arus yang konstan, wilayah 2. Wilayah 3 dan 4 disebabkan oleh longsoran ion sebagaimana yang dijelaskan oleh mekanisme lucutan Townsend.

KoronaTembus sebagiannya udara terjadi saat sebuah lucutan korona pada konduktor tegangan tinggi di titik-titik bertekanan listrik tertinggi. Saat kuat dielektriknya bahan di sekitar konduktor menentukan kekuatan maksimalnya medan listrik bahan tersebut bisa bertahan sebelum menjadi bersifat konduktif, konduktor yang terdiri dari titik-titik yang tajam, atau bola berjari-jari kecil, yang lebih cenderung menyebabkan dadalan dielektrik. Kadang-kadang korona tampak seperti bercahaya kebiru-biruan di sekitar kabel tegangan tinggi dan mengeluarkan suara mendesis di sepanjang saluran listrik tegangan tinggi. Korona menghasilkan pula derau (noise) radio frequency yang juga bisa terdengar bersuara 'statis' atau berdengung pada penerima radio. Korona bisa pula terjadi secara alami di titik atau ujung yang tinggi (seperti puncak menara gereja, puncak pohon, atau tiang layar kapal) sewaktu terjadi hujan badai berpetir seperti api St. Elmo.Meski biasanya tidak diinginkan, sampai sekarang lucutan korona berperan penting dalam operasi mesin fotokopi dan pencetak laser. Kebanyakan mesin fotokopi modern dan pencetak laser kini memuat drum fotokonduktor sebuah gulungan konduktif bertenaga listrik, yang mengurangi polusi ozon di dalam ruangan yang tak diinginkan. Sebagai tambahan, penangkal petir menggunakan lucutan korona untuk menciptakan jalur konduktif di dalam udara yang menuju penangkal petir itu, yang membuat kilat yang berpotensi merusak berbelok menjauhi bangunan dan struktur lainnya. Generator ozon lucutan korona telah digunakan lebih dari 30 tahun dalam proses pemurnian air. Ozone merupakan salah satu gas beracun, bahkan lebih berbahaya daripada klor. Di dalam kilang pengolahan air yang biasa, gas ozon terlarut ke dalam air yang disaring untuk membunuh bakteri serta virus. Ozon juga menghilangkan bau dan rasa yang tidak enak dari air. Kelebihan utama ozona adalah kelebihan dosisnya (residual) terurai menjadi gas oksigen sebelum air mencapai para konsumen. Beda dengan klor yang tetap berada di air dan bisa dirasakan oleh konsumen.Lucutan korona digunakan pula untuk memodifikasi sifat-sifat permukaan dari sebagian besar polimer. Salah satu contohnya adalah pengolahan koronanya bahan-bahan dari plastik yang membolehkan cat atau tinta melekat dengan sepantasnya.

3