3 bab 3 kegagalan isolasi

Teknologi Material Isolasi – DR.Ir. Salama Manjang

KULIAH-3

KEGAGALAN ISOLASI PADA BENDA GAS

Bab ini akan menjelaskan teori kegagalan isolasi pada benda

gas. pada benda gas, diantara teori yang dibahas adalah gas

sebagai isolator, proses dasar ionisasi dalam gas, mekanisme

kegagalan Townsend, kegagalan pada gas elektronegatif, post

breakdown phenomena, streamer breakdown, hukum Paschen, dan

isolasi vakum.

3.1 GAS SEBAGAI MEDIA ISOLATOR

Udara dan gas adalah suatu dielektrik yang paling mudah

ditemukan, yang mana banyak digunakan sebagai bahan untuk

mengisolasi peralatan listrik tegangan tinggi. Gas-gas yang biasa

digunakan untuk mengisolasi adalah Nitrogen (N2), Karbondioksida

(CO2), Freon (CCI2F2) dan Sulfur Heksaflorida (SF6). Isolasi

berfungsi untuk memisahkan dua atau lebih penghantar listrik yang

bertegangan, sehingga antara penghantar-penghantar tersebut

tidak terjadi lompatan listrik (flashover) atau percikan (sparkover).

Pada 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

1


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, dan

2. 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.

2


3.2 PROSES DASAR IONISASI

Udara ideal adalah gas yang hanya terdiri dari molekul-

molekul netral, sehingga tidak dapat mangalirkan arus listrik. Tetapi

dalam kenyataannya, udara yang sesungguhnya tidak hanya terdiri

dari molekul-molekul netral saja tetapi ada sebagian kecil

daripadanya berupa ion-ion dan elektron-elektron bebas, yang akan

mengakibatkan udara dan gas mengalirkan arus walaupun terbatas.

Kegagalan listrik yang terjadi di udara atau gas, pertama-tama

tergantung dari jumlah elektron bebas yang ada di udara atau gas

tersebut. Konsentrasi elektron bebas ini dalam keadaan normal

sangat kecil dan ditentukan oleh pengaruh radioaktif dari luar.

Pengaruh ini dapat berupa radiasi ultraviolet dari sinar matahari,

radiasi radioaktif dari bumi, radiasi sinar kosmis dari angkasa luar

dan sebagainya, yang menyebabkan udara terionisasi. Proses

dasar pelepasan dalam gas yang bertanggungjawab dalam

terjadinya kegagalan adalah : Ionisasi karena benturan elektron,

ionisasi karena cahaya (fotoionisasi), ionisasi karena panas, proses

ionisasi kedua dan proses penggabungan (rekombinasi).

3.2.1 IONISASI KARENA BENTURAN ELEKTRON

Pada proses ionisasi ini elektron yang bebas bertumbukan

dengan molekul gas netral dan mengakibatkan kenaikan pada

elektron baru dan ion positif. Proses dari pelepasan elektron dari

molekul gas yang bersamaan dengan dihasilkannya ion positif

merupakan bentuk dari ionisasi. Jika dianggap suatu gumpalan gas

yang bertekanan rendah dan medan listrik E diterapkan pada

3


sebaran dua plat elektroda yang sejajar, seperti pada Gambar 3.1.

Maka elektron-elektron yang berada pada katoda tersebut akan

lebih dipercepat lagi dalam proses tumbukan dengan molekul gas

yang lain selama pergerakannya menuju ke anoda. Jika energi ( )

meningkat selama dalam pergerakan tumbukan melebihi potensial

ionisasi, (Vi), yang mana energi hanya menghendaki untuk

mengeluarkan elektron dari kulit atom, maka ionisasi dapat terjadi.

Proses ini dapat digambarkan sebagai :

e- + A e- + A+ e- (3.1)

Dimana A adalah atom, A+ adalah ion positif dan e- adalah

elektron.

Gambar 3.1 Penetapan studi pelepasan muatan Townsend

Ada juga elektron yang dihasilkan pada katoda yang

dipengaruhi oleh pengaruh luar, seperti : jatuhnya sinar ultra violet di

katoda ionisasi partikel gas yang menghasilkan ion positif dan

elektron tambahan. Ion-ion tambahan inilah yang menyebabkan

ionisasi tumbukan dan proses ini terjadi berulang. Hal ini terlihat

4

> Vi


pada bertambahnya jumlah aliran elektron dan jumlah elektron

yang menuju ke anoda yang mana perunitnya lebih besar dari yang

dilepaskan di katoda. Selanjutnya, ion positif juga mencapai katoda

dan bertumbukan, sehingga memberikan peningkatan pada elektron

berikutnya.

3.2.2 IONISASI KARENA CAHAYA (FOTOIONISASI)

Fenomena penggabungan oleh karena radiasi atau

fotoionisasi melibatkan interaksi antara zat yang teradiasi.

Fotoionisasi terjadi pada saat jumlah dari radiasi energi diserap oleh

atom atau molekul melebihi daripada potensial ionisasinya. Proses

radiasi yang dapat diserap oleh atom atau molekul adalah :

1. Eksistansi atom yang menuju ke tingkatan energi yang

lebih besar.

2. Penyerapan yang berlanjut oleh eksitasi langsung pada

atom atau disosiasi (pemisahan diri) pada molekul diatomik

atau ionisasi langsung.

Seperti pada atom yang mengeluarkan radiasi ketika elektron

kembali ke keadaan yang sebelumnya. Proses bolak-balik terjadi

pada saat atom menyerap radiasi. Proses ini dapat dituliskan

sebagai :

(3.2)

dan ionisasi terjadi pada saat :

5

A+hv + A


c . (3.3)

Dimana, h adalah konstanta Planck. c adalah kecepatan

cahaya, adalah panjang gelombang radiasi yang terjadi dan Vi

adalah energi ionisasi atom. Dengan mensubtitusikan h dan c di

dapat :

(3.4)

Dimana Vi dalam elektron volt (eV). Pada ionisasi energi

yang tertinggi dan panjang gelombang radiasi yang pendek dapat

menyebabkan proses terjadinya ionisasi. Ini diamati pada

percobaan radiasi yang memiliki panjang gelombang 1250 Ao juga

dapat meyebabkan terjadinya proses fotoionisasi pada kebanyakan

gas.

3.2.3 IONISASI KARENA PANAS (IONISASI TERMAL)

Pada prinsipnya proses ionisasi karena panas (termal) tidak

berbeda dengan proses ionisasi karena benturan dan cahaya.

Perbedaannya terletak pada jenis energi yang diberikan kepada

molekul atau atom gas netral. Jika gas dipanasi sampai suhu yang

cukup tinggi, maka banyak atom netral akan memperoleh energi

yang diperlukan untuk mengionisasikan atom-atom yang mereka

bentur. Proses ini dituliskan sebagai :

(3.5)

Dimana :

6

A+ + eUi (T) + A


Ui (T) = energi panas

A = molekul atau atom gas mula-mula

A+ = molekul atau atom yang bebas 1 elektronnya

e- = elektron yang dibebaskan oleh proses ionisasi

Pada umumnya istilah ionisasi termal mencakup hal-hal sebagai

berikut :

1. Ionisasi karena benturan antara molekul-molekul atau atom

gas yang bergerak dengan kecepatan tinggi akibat suhu

yang tinggi.

2. Ionisasi karena radiasi panas.

Ionisasi adalah sumber ionisasi utama pada api (flames) dan busur

api bertekanan tinggi.

3.2.4 PROSES IONISASI KEDUA

Pada proses ionisasi kedua ini, elektron kedua dihasilkan dari

suatu pelepasan bertahan setelah terbentuknya ionisasi oleh

benturan dan fotoionisasi. Proses ionisasi kedua dapat dijelaskan

seperti berikut :

(1) Emisi/pemancaran elektron karena dampak ion positif

Ion positif terbentuk dari ionisasi karena benturan dan

fotoionisasi dan oleh termuatnya muatan positif pada saat

pergerakannya menuju ke katoda. Elektron dapat dikeluarkan

dari permukaan logam katoda dengan menghujaninya dengan

ion-ion positif atau atom-atom metastabil. Untuk memungkinkan

pengeluaran (emisi), elektron sekunder dan ion yang

7


membentur katoda harus membebaskan dua elektron, satu

diantaranya digunakan untuk menetralkan muatan ion. Oleh

karena itu, energi minimum yang diperlukan untuk emisi ion

positif adalah :

U min = Uk + Up 2 e (3.6)

Dimana :

Uk = energi kinetik

Up = energi potensial

(2) Emisi elektron karena foton

Salah satu cara untuk melepaskan ion dari logam adalah

dengan memberikan energi yang cukup untuk meningkatkan

permukaan potensial plat. Energi juga dapat diambil dari bentuk

foton pada frekuensi sinar ultra violet yang sesuai. Emisi

elektron dari suatu permukaan logam terjadi pada kondisi yang

kritis. Proses ini dapat dituliskan sebagai:

h.f (3.7)

Dimana h adalah fungsi kerja elektroda pada logam, frekuensi

(f) dituliskan dengan hubungan sebagai :

(3.8)

Diketahui bahwa frekuensi ambang (permulaan) pada

permukaan nikel dengan = 4.5 eV, maka frekuensi ini

diidentikkan dengan panjang gelombang = 2775 A0 . Jika

radiasi yang terjadi memiliki frekuensi yang lebih besar akan

bergerak sebagian sebagai energi kinetik pada emisi elektron

8


dan yang sebagian sabagai panas di permukaan pada

elektroda. Karena adalah bentuk dari elektron volt, maka

frekuensi ambang terletak jauh dari daerah sinar ultraviolet

pada spektrum radiasi elektromagnetik.

(3) Emisi elektron karena atom netral dan metastabil

Atom yang menstabil ataupun molekul adalah partikel

bergerak yang memiliki durasi yang besar (10-3 dst) bila

dibandingkan dengan durasi pada partikel biasa (10-8 dst).

Elektron dapat dikeluarkan dari permukaan logam dengan

cara benturan pada atom yang dibangkitkan (metastabil) yang

mana energi totalnya cukup untuk meningkatkan fungsi kerja.

Proses ini sangatlah mudah untuk diamati, karena durasi pada

keadaan atom lain yang dibangkitkan terlalu pendek

mencapai katoda dan menyebabkan emisi elektron. Atom

netral yang berada pada keadaan dasar juga dapat memberi

peningkatan pada emisi elektron kedua jika energi kinetiknya

tinggi ( 100 eV).

3.2.5.PROSES PENGGABUNGAN ELEKTRON

Tumbukan dimana elektron-elektron dapat bergabung ke

dalam atom atau molekul dan terbentuknya ion negatif disebut

dengan penggabungan elektron. Proses penggabungan elektron

bergantung pada energi elektron tersebut dan kealamian dari gas.

Semua gas yang merupakan isolator listrik, seperti 02, CO2 , Cl2, F2,

C3, F8, C4F10, CCl2F2, dan SF6 karakteristik yang berbeda. Proses

penggabungan elektron dapat dituliskan sebagai :

9


Atom + e- + k atom ion negatif + (Ea + K) (3.9)

Energi yang dilepaskan sebagai bentuk dari hasil proses ini

adalah energi kinetik (K) dan ditambah dengan daya tarik-manarik

elektron (Ea). Pada saat penggabungan ataupun pengisolasian

udara, atom dan molekul memiliki suatu peluang di kulit yang

terluarnya, sehingga terdapat pada daya tarik-manarik elektron.

Proses penggabungan memainkan peranan yang sangat penting

dalam pergerakan elektron-elektron bebas pada ionisasi gas ketika

gangguan pada busur, dan terjadi dalam pengisolasian gas di

switchgear.

3.3 PERSAMAAN KENAIKAN ARUS TOWNSEND

Berdasarkan Gambar 3.1 diasumsikan bahwa n0 adalah

elektron yang keluar dari katoda. Pada saat suatu elektron

bertumbukkan dengan partikel netral, ion positif dan elektron

terbentuk, () dikenal sebagai jumlah elektron yang dihasilkan di

dalam jalur sebuah elektron yang bergerak sepanjang 1 cm searah

dengan medan bergantung pada tekanan gas P dan E/P , yang

dikenal sebagai Koefisien kesatu ionisasi Townsend. Pada jarak

dari katoda, maka jumlah elektron adalah n. Dan ini bergerak

menuju jarak yang lebih jauh, sehingga dx memberikan kenaikan

elektron (nd).

Pada saat :

x = 0,nx = n0 (3.10)

atau :

10


nx ; atau nx = n0 exp (x) (3.11)

Maka, jumlah elektron yang menuju ke anoda (x = d) menjadi :

nd = n0 exp (d) (3.12)

Jumlah elektron baru yang terbentuk, pada rata-rata

elektronnya;

Exp (d) 1 = (3.13)

Untuk rata-rata arus dalam celah, yang mana jumlahnya sama

dengan elektron yang bergerak per detik, maka persamaan menjadi

I = I0 exp (d) (3.14)

Dimana :

I0 adalah arus awal di katoda

3.4 KENAIKAN ARUS DARI KEHADIRAN PROSES KEDUA

Pada proses dihujaninya elektron (avalanche) ternyata ada

tambahan mekanisme yang ikut bekerja di dalam membantu

memproduksi elektron di daerah itu. Dahulu Townsend mengira

bahwa ion positif menabrak molekul sehingga menyebabkan

elektron keluar. Secara rinci dapat dijelaskan sebagai berikut :

1. Ion positif yang bebas memilliki energi yang cukup utuk

membebaskan elektron-elektron pada katoda saat ion positif

mengenainya.

2. Atom atau ion yang dibangkitkan pada saat dihujani akan

mengeluarkan foton, yang mana akan menyebabkan

keluarnya elektron karena proses fotoemisi.

11


3. Partikel yang metastabil dapat tersebar kembali karena emisi

(keluarnya) elektron.

Elektron yang dihasilkan dari proses ini disebut sebagai

elektron kedua. Koefisien ionisasi kedua ( ) didefinisikan dengan

cara yang sama seperti (), dengan asumsi jumlah elektron pada

kedua proses dihasilkan oleh ion positif, foton, partikel yang

dibangkitkan, ataupun partikel matastabil. Jumlah dari masing-

masing koefisien karena perbedaan ketiga proses, misalnya : = 1

+ 2 + 3 . disebut sebagai Koefisien ionisasi kedua Townsend.

Dan ini adalah sebagai fungsi dari tekanan gas P dan E/P.

Berdasarkan pada prosedur townsend untuk kenaikan arus,

maka diasumsikan :

n0 = jumlah elektron kedua yang dihasilkan karena proses

ionisasi kedua.

n0” = jumlah elektron total yang meninggalkan katoda.

Maka :

n0” = n0 + n0’ (3.15)

jumlah elektron total n yang menuju ke anoda menjadi :

n = n0” exp (d) = (n0 + n0’) exp (d) (3.16)

Dan

n0’ = [ n-(n0+n0’) ] (3.17)

Dengan menghilangkan n0’ maka :

(3.18)

12


Atau

(3.19)

3.5 MEKANISME KEGAGALAN TOWNSEND

Persamaan (3.19) 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 ] = 0 (3.20)

Untuk 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 (3.21)

Umumnya, nilai exp(d) adalah besar dan karenanya

persamaan di atas direduksi menjadi :

[ exp (d) 1 ] = 1 (3.22)

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

13


tepatnya untuk P dan d (tekanan gas dan lebar celah), dan ini

bernilai sebesar 1000 torr-cm ke bawah.

3.6 PERCOBAAN DALAM MENENTUKAN NILAI

KOEFISIEN

Dalam susunan percobaan seperti yang terlihat pada Gambar

3.2 sistem elektroda terdiri atas dua medan yang sama. Elektroda

tegangan tinggi dihubungkan dengan sumber tegangan tinggi D.C

yang memiliki besaran (antara 2 sampai 10 kVA). Sedangkan

elektroda tegangan rendah terdiri atas sebuah elektroda pokok dan

sebuah elektroda pelindung. Elektroda pokok dihubungkan dengan

tanah (ground) melalui tahanan tinggi pada amplifier electrometer

yang memiliki input tahanan sebesar 109 sampai 1013 ohms. Dan

pada elektroda pelindungnya langsung dibumikan ke tanah.

Amplifier electrometer dapat mengukur arus dengan batas sebesar

antara 10-14 sampai 10-8 A.

Gambar 3.2Pengaturan percobaan untuk pengukuran koefisien ionisasi

dan (sumber: M.S Naedu K. 1985)Sistem elektroda ditempatkan pada ruang ionisasi, ruang

ionisasi bukanlah ruangan yang terbuat dari plat Chromium ataupun

logam anti karat. Ruangan dikosongkan mencapai tingkat

kekosongan yang tinggi, sebesar 10-4 sampai 10-6 torr. Kemudian

14


diisi dengan udara yang diinginkan, maka akan timbul gejolak pada

beberapa saat sampai semua sisa gas dan udara dipindahkan.

Tekanan dalam ruangan ini disesuaikan dengan beberapa torr

(satuan tingkat kekosongan udara) yang bergantung pada

pemisahan celah dan ditinggalkan selama setengah jam supaya gas

dapat mengisi ruangan secara menyeluruh.

Pada katoda disinari dengan sinar ultra-violet (U.V) yang

ditempatkan diluar ruangan. Sinar ultra-violet ini menghasilkan

elektron awal (n0) dengan proses emisi fotoelektrik.

Pada saat tegangan D.C diterapkan dan tegagannya berada

pada kedudukan yang rendah, maka arus mulai bergerak muncul

karena adanya elektron dan ion positif, seperti yang terlihat pada

Gambar 3.3 (a) dan 3.3 (b).

Gambar 3.3 Kuat arus sebagai suatu fungsi waktua. Ketika elektron sekunder terbentuk oleh ion positif pada katodab. Ketika elektron sekunder terbentuk oleh photon pada katoda

I(t) adalah jumlah kuat arus; I dan I+ adalah arus ion elektron ; dan + adalah durasi transit ion dan elektron(sumber : M.S.Naedu K, 1985)

15

aktual

ideal


Pada saat tegangan dinaikkan, muncul gerakan dan arus rata-

rata D.C. yang tersusun seperti yang diperlihatkan pada Gambar

3.4. pada bagian awal (T0), arus meningkat dengan lambat tapi tidak

goyah (stabil) pada tegangan yang diterapkan. Pada bagian T1 dan

T2 arus mulai meningkat, tapi tidak lagi stabil (goyah) di mana

terdapat pengaruh mekanisme Townsend. Sesudah melewati T2,

arus meningkat dengan tajam dan percikan pun terjadi.

Gambar 3.4Kurva peningkatan kuat arus pada pelepasan muatan Townsend

(sumber : M.S. Naedu K. 1985)

Dalam menentukan koefisien dan , Karakteristik arus dan

tegangan pada setting celah yang berbeda dapat disusun. Dan dari

hasilnya adalah a log I/I0 dengan lebar alur celah tersusun dibawah

kondisi medan konstan (E) seperti yang terlihat pada Gambar 3.5.

Pada gambar ini lengkung kurva di bagian awalnya menyatakan

nilai . Dengan mengetahui nilai dari , maka nilai dapat dicari

dengan menggunakan pers. (3.19) dan juga dengan memasukkan

nilai dari bagian kurva atas dalam gambar. Percobaan ini dapat

dilakukan berulang-ulang dengan tekanan yang berbeda.

16

Pelepasan yang dapat pulih kembali

Pelepasan yang tidak dapat pulih kembali

Kegagalan

V VS

T2T1T1T0

I01

t

I=I0 exp ( d)


Gambar 3.5Kurva Townsend, perbandingan log (I/I0) dengan plot d

(sumber: M.S. Naedu K. , 1985)

Terlihat bahwa /p dan adalah fungsi dari E / p. Tegangan

percikan untuk setiap panjang celah ds adalah :

Vs = E.ds (3.23)

Dimana :

ds = panjang celah kritis pada kuat medan yang diperoleh dari

gambar.

Dan ini juga dapat disimpulkan bahwa jika I0 (arus awal)

bertambah, maka arus anoda rata-rata (I) juga akan bertambah.

Untuk nilai log I/ I0 dan berbagai atom ditunjukkan oleh Gambar 3.6

dan Gambar 3.7.

17

IL

og

I

0

d3Sd2Sd1S

E3

E2

E1

E1< E2 < E3

d


Gambar 3.6Kurva /p dengan E/p untuk hidrogen dan nitrogen;

p0 merupakan harga tekanan pada suhu 00C(sumber : M.S. Naeda K. 1985)

Gambar 3.7Koefisien Ionisasi sekunder () sebagai fungsi E/p untuk

nitrogen, SF, dan freon(sumber : M.S. Naeda K. 1985)

3.7. KEGAGALAN PADA GAS ELEKTRONEGATIF

Telah diketahui bahwa salah satu proses yang berpengaruh

besar dalam kegagalan dalam gas adalah penggabungan elektron,

dimana elektron-elektron bebas dapat melekat pada atom netral

18


atau molekul dan akan membentuk ion negatif. Karena ion negatif

dan ion positif yang terlalu banyak jumlahnya karena

benturan/tumbukan, maka penggabungan dapat diwakilkan oleh

pergerakan efektif elektron yang akan menyebabkan kenaikan arus

dan kegagalan terjadi pada tegangan yang rendah. Pada proses

penggabungan, gas yang paling penting peranannya adalah

elektronegatif gas.

Proses pertemuan dan penggabungan gas yang sering dijumpai

adalah :

1. Penggabungan secara langsung, dimana elektron langsung

dapat melekat dan membentuk ion negatif.

2. Penggabungan secara disosiasi, dimana molekul gas terbagi

dua kedalam unsur pokok atom-atomnya dan atom

elektronegatif terbentuk menjadi ion negatif.

Proses ini dapat dituliskan sebagai :

(a)Proses penggabungan langsung

AB + e AB (3.24)

(b)Proses penggabungan dengan disosiasi

AB + e A + B (3.25)

Pada gas, Persamaan kenaikan arus Townsend dimodifikasi

(diubah) dengan tujuan untuk memasukkan penggabungan dan

ionisasi. Koefisien gabung ( ) didefinisikan sama dengan jumlah

tumbukan dan penggabungannya disebabkan oleh satu elektron

19


yang terlepas separuh 1cm dari arah medannya. Arus yang menuju

ke anoda dapat dituliskan sebagai

I = I0 (3.26)

Kriteria kegagalan Townsend pada penggabungan gas dapat

disimpulkan dengan menyamakan penyebutnya pada Persamaan

(3.26) menjadi nol, sehingga:

(3.27)

Ini menunjukkan bahwa untuk > , kegagalan bisa mungkin

saja terlepas dari nilai dan . Jika > , seperti pada Persamaan

(3.27) maka akan menyerupai bentuk garis lurus yang mendekati

suatu kurva dan tidak berpotongan pada jarak yang dekat karena

meningkatnya nilai d, oleh karena itu nilai + adalah :

atau = (3.28)

Karena nilainya, sangat kecil (10-4) maka persamaan (3.28)

dapat dianggap bahwa = . Kondisi ini menunjukkan tidak ada

kegagalan pada batas nilai (E/P). E/P kritis pada SF6 adalah 117 V

cm-1torr-1 dan untuk CCLF2F2 adalah 121V cm-1torr-1 (keduanya

pada suhu 200C). Bentuk nilai beberapa gas ditunjukkan Gbr 3.8.

20


Gambar 3.8Kurva /p dengan E/p untuk benda gas dielektrik ;

p20 merupakan harga tekanan pada suhu 200 C(sumber : M.S. Naedu K. 1985)

Pada kondisi dimana arus mencapai anoda, maka persamaan I

dapat ditulis sebagai berikut :

(3.29)

Kriteria breakdown Townsend untuk gas yang menempel dapat

pula diturunkan dengan membuat denominator dalam contoh (3.29)

menjadi nol.

(3.30)

Ini menunjukkan bahwa untuk > , breakdownnya selalu

memungkinkan terlepas dari nilai , , dan . Jika lain = ,

persamaan (3.18) mendekati bentuk simtotik dengan nilai d yang

bertambah besar, maka :

; or (3.31)

3.8 KETERLAMBATAN WAKTU UNTUK BREAKDOWN

21


Pada bagian sebelumnnya, mekanisme dari kegagalan percikan

dianggap sebagai fungsi dari proses ionisasi pada kondisi lapangan

seragam. Tapi pada prakteknya, breakdown yang terjadi disebabkan

oleh berubahnya tegangan (tegangan impuls). Ada perbedaan

waktu antara penerapan dari tegangan yang cukup untuk

menyebabkan breakdown dan kemunculan breakdown itu sendiri.

Perbedaan waktu ini disebut keterlambatan waktu atau time lag.

Walau bagaimanapun, dengan tegangan yang bervariasi tinggi

dalam waktu yang singkat (10-6 s) elektron yang diperlukan tidak

dijumpai di dalam celah, dan dalam kondisi seperti ini, breakdown

tidak dapat terjadi. Waktu t yang terjadi antara penetapan tegangan

yang cukup dapat menyebabkan terjadinya breakdown dan dalam

peristiwa pemunculan elektron yang diperlukan perbedaan waktu

statistik (ts) dari celah. Permunculan dari elektron-elektron ini

biasanya terdistribusi secara statistik setelah kemunculan elektron

awal, waktu yang diperlukan untuk proses ionisasi supaya dapat

berkembang dan menyebabkan breakdown pada celah dan waktu

ini disebut perbedaan waktu pembentukan ( tt ). Waktu keseluruhan

ts + tt = t, disebut juga perbedaan waktu total.

Perbedaan waktu ini adalah merupakan hal yang perlu

dipertimbangkan. Supaya breakdown dapat terjadi, tegangan V

yang digunakan harus lebih besar daripada tegangan statis Vs,

seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.9. Perbedaan atau selisih

tegangan V =V.V disebut sebagai tegangan lebih dan

perbandingan V/Vs disebut perbandingan impuls. Variasi antara tt

dengan tegangan lebih (v) ditunjukkan pada Gambar 3.10.

Karakteristik waktu volt dari peralatan-peralatan elektronik yang

sangat penting dalam koordinasi isolasi, ditunjukkan pada Gambar

22


3.11. Dari gambar 3.11 dapat dilihat bahwa sebuah celah batang

mempunyai tegangan gagal lebih tinggi dari tegangan gagal dari

objek yang berbentuk bulat.

Gambar 3.9Kegagalan pada bagian muka tegangan impuls

(sumber : M.S. Neudu K. 1985)

Gambar 3.10Formative time lag (tf) sebagai fungsi V

a, b dan c adalah lebar celah yang berbeda

23

t

Waktu

Tegangan yang jatuhVS

V

Tega

ngan

V


o adalah nilai hasil percobaan(sumber : M.S . Naedu K. 1985)

Gambar 3.11Kurva karakteristik lecutan yang menggunakan tegangan impuls

(sumber : M.S. Naedu K. , 1985)

3.9. TEORI STREAMER DARI BREAKDOWN GAS

Mekanisme Townsend ketika diterapkan dalam breakdown

pada tekanan atmosfir ternyata mempunyai beberapa kekurangan.

Pertama, menurut Teori Townsend, pertumbuhan hanya arus

muncul sebagai hasil dari proses-proses ionisasi. Tapi ternyata

pada prakteknya., tegangan breakdown yang ditemukan bergantung

pada tekanan gas dan ukuran dari celah. Kedua, mekanisme

tersebut diperkirakan perbedaan waktu berdasarkan urut-urutan dari

10-5 detik, sementara dalam praktek nyatanya, breakdown

ditemukan muncul dalam waktu-waktu yang sangat singkat

24

Waktu

Sikat

Transformator

Celah bulat

Tega

ngan

impu

las

Celah batang


berdasarkan urutan dari 10-8 detik. Ketiga mekanisme Townsend

memperkirakan bentuk yang sangat panjang dari penghentian arus,

ternyata pada kenyataannya, penghentian arus ditemukan

merupakan hal yang biasa. Mekanisme Townsend juga gagal dalam

menyelesaikan semua fenomena yang telah diobservasi dan

sebagai hasilnya, sekitar tahun 1940, Raether, Meek dan Loeb

secara terpisah mengajukan Teori Streameter.

Teori Streameter ini memperkirakan perkembangan dari sebuah

percikan yang muncul langsung dari sebuah longsoran tunggal

dimana arus dikembangkan oleh longsoran tersebut, dan merubah

bentuk dari longsoran menjadi pita plasma. Perhatikan Gambar

3.12, sebuah elektron tunggal berawal dari katoda dengan ionisasi

membentuk sebuah longsoran yang menyeberangi celah. Elektron-

elektron dalam longsoran ini bergerak sangat cepat jika

dibandingkan dengan ion-ion positif.

Pada saat elektron-elektron mencapai anoda, io-ion positif

berada pada posisi sebenarnya dan memebentuk sebuah medan

positif pada anoda. Hal ini akan menaikan medan, dan longsoran-

longsoran kedua akan terbentuk dari bebeberapa elektron yang

dihasilkan dari proses foto-ionisasi. Hal ini akan muncul pertama-

tama didekat anoda dimana tekanan ruang dalam keadaan

maksimum. Hasil ini akan meningkatkan lebih jauh tekanan dalam

ruang. Proses ini terjadi sangat cepat dan ruangan dengan arus

positif akan ditambahkan pada katoda dengan sangat cepat

sebagai hasil dari pembentukan sebuah pita.

25


Gambar 3.12Efek muatan ruang akibat banjiran elektron

(sumber : M.S. Naedu K..,1985)

Jalur –jalur sempit bercahaya yang muncul pada breakdown saat

tekanan tinggi di sebut pita

(streamer) pada saat ujung dari pita mendekati katoda, sebuah titik

katoda akan terbentuk, dan sebuah arus dari elektron-elektron

bergerak cepat dari katoda untuk menetralisir medan positif dari

pita, hasilnya adalah sebuah percikan dan breakdown percikan telah

muncul. Tiga tahapan yang berurutan dalam perkembangan dari

pita ini ditunjukkan secara diagram pada gambar 3.13. dimana (a)

menunjukkan tahap dimana longsoran telah menyeberangi celah,

(b) menunjukkan bahwa pita telah menyeberangi setengah dari

panjang celah dan (c) menunjukkan bahwa celah telah dijembatani

oleh sebuah saluran konduksi.

26


Gambar 3.13Streamer langsung katoda

(sumber : M.S. Naedu K., 1985)

Meek mengajukan sebuah kriteria kuantitatif sederhana untuk

memperkirakan medan elektrik yang mengubah bentuk longsoran

menjadi pita medan Er dihasilkan oleh medan tekanan pada radius

r, diberikan oleh :

(3.32)

Dimana adalah koefisien ionisasi pertama Townsend, P

adalah tekanan gas dalam satuan torr, dan x adalah jarak dimana

pita telah ditambahkan dalam celah. Menurut Meek, breakdown

tegangan minimum dicapai pada saat Er = E dan x = d pada

persamaan diatas.

(3.33)

Persamaan ini dapat dipecahkan antara /p dan E/p pada saat

dimana p dan d yang diberikan memenuhi persamaan. Tegangan

breakdown diberikan oleh produk yang berhubungan dengan E dan

d.

Kriteria sederhana di atas memungkinkan terjadinya kesesuaian

antara tegangan breakdown yang diperkirakan. Teori ini juga sesuai

dengan kawat pijar yang diobservasi, saluran-saluran melengkung

dan saluran-saluran percikan yang bercabang. Banyak keraguan

27


dalam mekanisme Townsend saat ditetapkan pada breakdown gas

bertekanan tinggi yang menyeberangi celah yang lebar.

Masalah yang masih kontroversial adalah menentukan

mekanisme mana yang berlaku pada kondisi medan yang seragam

pada kisaran nilai tertentu. Secara umum hal ini masih diasumsikan

bahwa pada nilai dibawah 1000 torr-cm dan tekan gas bervariasi

antara 0,01 sampai 300 torr, mekanisme Townsend berlaku,

sementara pada tekanan dan nilai pada yang lebih tinggi.

Mekanisme Streamer memainkan peranan yang dominan dalam

menjelaskan fenomena breakdown.

3.10 HUKUM PASCHEN

Seperti yang telah ditunjukkan sebelumnnya, kriteria breakdown

dalam gas diketahui sebagai berikut :

[exp (d) 1] = 1 (3.34)

Dimana koefisien dan merupakan fungsi dari E/p yaitu :

dan

(3.35)

Dengan menggantikan nilai E untuk dan maka akan

didapat

28


(3.36)

Persamaan (3.35) ini menunjukkan hubungan antara V dan pd,

dan menunjukkan bahwa tegangan breakdown bervariasi dan

bergantung pada jenis gas. Setelah mengetahui sifat-safat dan

fungsi F1 dan F2 maka ditulikan kembali Persamaan 3.35 sebagai

berikut :

Persamaan (3.35) dikenal sebagai hukum Paschen, dan telah

diterapkan dalam eksperimen-ekperimen untuk bermacam-macam

gas dan merupakan sebuah hukum yang sangat penting dalam

rekayasa tegangan tinggi.

Kurva Paschen, hubungan antara V dan pd ditunjukkan dalam

Gambar 3.14 untuk tiga jenis gas yaitu CO2 , udara, dan H2 . Dapat

dilihat bahwa hubungan antara V dan (pd) bukan merupakan garis

lurus dan mempunyai sebuah nilai minimum untuk setiap gas.

Tegangan breakdown minimum untuk bermacam-macam gas

tertera pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1. Tegangan gagal berbagai gas

Gas Vs min(V)

pd at Vs min(torr-cm)

Air

Argon

H2

327

137

273

0.567

0.9

1.15

29


Helium

CO2

N2

N2O

O2

SO2

H2S

156

420

251

418

450

457

414

4.0

0.51

0.67

0.5

0.7

0.33

0.6

(Sumber : M.S.

Naedu. K., 1985)

Eksistansi dari percikan potensial dalam kurva Paschen dapat

dijelaskan sebagai berikut :

Untuk nilai-nilai pada > (pd)min , elektron-elektron yang

menyeberang celah membuat tubrukan antara molekul-molekul gas

lebih sering terjadi daripada (pd)min , tetapi energi yang dihasilkan

antara tubrukan-tubrukan tersebut lebih rendah. Oleh sebab itu,

tegangan yang lebih tinggi harus dipakai supaya breakdown dapat

muncul.

Meskipun demikian, pada beberapa macam gas, hukum

Paschen tidak benar-benar dapat diterapkan, dan potensi percikan

pada jarak yang lebih besar untuk nilai yang telah diketahui adalah

lebih tinggi daripada jarak yang lebih rendah untuk nilai yang sama.

Hal ini akan menunjukkan hubungan elektron-elektron yang hilang

dan celah akibat dari penyebaran.

Potensi percikan untuk celah medan yang seragam dalam

udara, CO2 dan H2 pada suhu 20oC ditunjukkan pada Gambar 3.14

seperti yang telah diobservasi bahwa bahan katoda juga

berpengaruh terhadap nilai-nilai breakdown. Ini ditunjukkan dalam

30


Gambar 3.15 untuk katoda-katoda yang terbuat dari Barium,

Magnesium dan Aluminium.

Gambar 3.14Tegangan kegagalan ; pd untuk udara, karbondiaksida, dan

hidrogen(sumber : M.S. Naedu K., 1985)

31


Dalam rangka untuk menghitung pengaruh dari temperatur,

hukum Paschen secara umum dinyatakan sebagai V = f (Nd)

dimana N adalah kerapatan dari molekul-molekul gas. Hal ini

diperlukan karena tekanan dari gas berubah dengan temperatur

menurut hukum gas pv = NRT, dimana V adalah volume gas T

adalah temperatur dan R merupakan konstanta.

Berdasarkan dari hasil-hasil percobaan, potensi breakdown

dari udara dinyatakan sebagai fungsi tenaga :

(3.37)

Gambar 3.15Hubungan tegangan kegagalan terhadap bahan katoda


Hal yang dapat dicatat dati persamaan (3.37) adalah tegangan

breakdown pada tekanan dan temperatur yang sama adalah tidak

tetap.

32


Pada 760 torr 293o K.

(3.38)

Persamaan ini meghasilkan nilai pembatas untuk E = 24 kV/

cm untuk celah panjang dan nilai 30 kV / cm untuk = , yang

berarti bahwa tekanan sebesar 760 torr pada suhu 20oC dengan

lebar celah 1 cm. Ini adalah kekuatan breakdown normal dari udara

pada temperatur ruangan dan tekanan atmosfer.

3.11 POST BREAKDOWN PHENOMENA DAN APLIKASINYA

Post breakdown phenomea adalah sebuah fenomena setelah

kegagalan terjadi. Pada post breakdown fenomena terdapat dua

buah gejala, yaitu glow dan arc discharge. Pada townsend

discharge (Gambar 3.16) arus akan meningkat secara bertahap

sebagai fungsi dari tegangan. Sampai dengan titik B, arus akan

terus meningkat sedangkan tegangan akan bernilai tetap. Maka

discharge (pelepasan akan mulai beralih dari townsend discharge

menjadi glow discharge (BC). Pada tahap ini kenaikan arus akan

menurunkan sedikit nilai tegangan (CD). Jika arus terus bertambah

maka tegangan akan kembali naik, tetapi jika kenaikan terjadi terus

maka penurunan nilai tegangan akan menjadi semakin besar. Ini

adalah daerah dari arc discharge (EG). Fenomena yang terjadi pada

daerah CG adalah post breakdown phenomena , yang terdiri dari

glow discharge (CE) dan arc discharge (EG).

33


3.11.1 GLOW DISCHARGE

Glow discharge mempunyai karakteristik menyebarkan cahaya

yang terang. Warna dari cahaya akan bergantung dari bahan

katoda dan gas yang digunakan. Glow discharge akan meliputi

sebagian dari katoda, sedangkan pada anoda akan menghasilkan

cahaya peralihan dari gelap ke terang. Ini adalah gejala yang kita

kenal sebagai glow discharge yang normal. Jika arus pada pada

glow discharge ini meningkat terus sehingga discharge meliputi

seluruh permukaan dari katoda maka ini akan menjadi glow

discharge yang abnormal. Pada glow discharge, penurunan

tegangan diantara kedua buah elektroda (katoda dan anoda) adalah

konstan, berkisar antara 75 sampai 300 Volt, dengan nilai arus

berkisar antara 1 mA sampai dengan 100 mA, tergantung dari gas

yang digunakan. Penelitian mengenai glow discharge dapat

diaplikasikan untuk voltage regulation tube (tabung pengaturan

tegangan ), rectifier dan oscillator.

3.11.2 ARC DISCHARGE

Jika arus yang mengalir diantara katoda dan anoda lebih

besar dari 1 Ampere, maka penurunan tegangan tiba-tiba akan

menjadi sangat besar. Cahaya yang ditimbulkan akan menjadi

sangat terang. Gejala inilah yang kita kenal dengan sebutan arc

discharge, arus pada katoda akan menjadi sangat besar (103 to 107

A/ cm2 ). Arc discharge berhubungan dengan temperatur yang

tinggi, berkisar antara 1000 oC sampai ribuan derajat celcius.

Pelepasan muatan pada terdiri dari elektron (dominan) dan ion

positif, yang disebut arc plasma.

34


Penelitian tentang arc discharge dapat digunakan pada circuit

breaker dan kontaktor. Selain itu, sebuah lampu karbon juga bekerja

berdasarkan prinsip ini. Aplikasi lainnya, adalah sebagai alat untuk

memotong logam, aplikasi yang paling baru dari arc discharge ini

adalah sebagai sebuah pembangkit energi listrik yang

menggunakan plasma pada suhu yang tinggi. Pembangkit suhu

yang tinggi. Pembangkit listrik ini kita kenal dengan nama magneto-

hydro dynamic (MHD).

Gambar 3.16Kurva pelepasan dengan menggunakan elektroda tidak

bersudut(sumber : M.S. Naedu K., 1985)

3.12 PERTIMBANGAN TEKNIS DALAM MEMILIH GAS SEBAGAI

ISOLATOR

Dalam beberapa tahun ini, banyak pertimbangan yang

menentukan dalam memilih jenis gas yang digunakan untuk bahan

35


isolator. Sebelum memilih jenis gas tertentu, ada baiknya kita

mengetahui bagaimana sifat dari gas tersebut dan komposisi dari

gas tersebut serta faktor apa saja yang menentukan kinerja dari gas

tersebut. secara garis besar gas, gas dielektrik yang bagus untuk

tegangan tinggi, mempunyai karakteristik sebagai berikut:

(a)Kekuatan dielektrik yang tinggi

(b)Kekuatan termal yang memadai

(c)Tidak mudah terbakar

(d)Temperatur kondensasi yang rendah

(e)mempunyai sifat transfer panas yang bagus

(f) harganya relatif murah

Sulfur hexaflorida (SF6) adalah salah satu jenis gas yang

dapat memenuhi kualifikasi diatas, dan telah digunakan secara luas

sebagai bahan isolator. Dari beberapa persyaratan diatas, kekuatan

dielektrik adalah yang terpenting.

3.12.1 ISOLASI VAKUM

Ide untuk menggunakan vacum insulation, telah lama

dipikirkan. Sesuai dengan teori Townsend, arus yang terjadi pada

celah antara katoda dan anoda, disebabkan karena aliran partikel

yang terlepas dari ikatannya. Jika tidak ada sama sekali partikel

yang mengalir diantara celah (vakum yang sempura ) maka tidak

akan ada sifat konduktor yang terdapat di celah tersebut, akibatnya

arus tidak akan mengalir pada celah tersebut, Dalam hal ini vacum

adalah insulator yang sempurna. Tetapi pada kenyataannya dalam

praktek, kegagalan masih dapat saja terjadi.

36


a. Apakah vakum itu ?

Keadaan vakum adalah keadaan dimana tekanan yang

terjadi jauh dibawah tekanan atmosfer. Pada sistem

vaccum tekanan ini selalu dinyatakan dalam cm air raksa

(cm Hg), dimana pada keadaan standard, 1 atmosfer

berarti 76 cm Hg pada suhu 0 0C . Bentuk cm Hg telah

distandarkan menjadi sebuah satuan lain yang kita kenal

dengan nama “ T o r r “, dimana 1 mm Hg sama dengan 1

torr pada keadaan vaccum. Vaccum dapat diklasifikasikan

menjadi :

High vaccum : 1 10-3 sampai 1 10-6 Torr

Very high Vacum : 1 10-6 sampai 1 10-8 Torr

Ultra high : 1 10-9 kebawah

Untuk tujuan insulator listrik biasanya dipakai high

vaccum, 1 10- 3 sampai 1 10-6 Torr.

b. Proses kegagalan pada vacum

Pada proses kegagalan townsend telah dijelaskan bahwa

elektron akan bertambah banyak melalui beberapa jenis

proses ionisasi, dan terjadilah banjiran elektron

(avalance). Pada high vaccum, elektroda dipisahkan

beberapa centimeter, sebuah elektron yang bergerak

menyeberangi celah tersebut akan bergerak tanpa

mengalami tumbukan, maka dari itu arus yang timbul

pada celah tidak dapat dikatakan sebagai akibat dari

banjiran elektron. Namun begaimanapun juga sebuah

elektron yang bergerak bebas pada celah akan

37


menyebabkan proses kegagalan sama seperti teori

townsend juga.

Selama 70 tahun terakhir ini, banyak teori yang

mengemukakan tentang proses kegagalan dalam Vaccum. Namun

secara garis besar, dapat dikelompokkan menjadi 3 bagian yaitu :

(a)Mekanisme pertukaran partikel (particle exchange

mechanism)

(b)Mekanisme pemanasan anoda (anode heating

mechanism)

(c) Teori Clump

(A) MEKANISME PERTUKARAN PARTIKEL

Pada mekanisme ini (Gambar 3.18) diasumsikan, pelepasan

partikel pada salah satu elektroda akan menyebabkan

terjadinya pelepasan elektroda pada bagian elektroda yang

lainnya. Misalkan sebuah elektron terlepas dari sisi katoda,

maka elektron ini akan bergerak menuju ke anoda, ketika

sampai di katoda, elektron ini akan menumbuk permukaan

dari katoda, tumbukan ini akan menyebabkan ion positif dan

photon terlepas dari anoda. Ion positif dan photon ini juga

akan bergerak menuju ke katoda, dan menumbuk

permukaan katoda kembali, tumbukan ini akan

menyebabkan beberapa elektron terlepas dari permukaan

katoda, kajadian ini terus-menerus berulang. Kegagalan

akan terjadi karena peristiwa akumulasi tumbukan diatas.

Isulator vakum ini dapat dikatakan gagal, bila terjadi keadaan

38


homogen antara ion positif dengan elektron pada celah

udara.

G a m b a r 3 . 1 8M e k a n i s m e p ert u k a r a n p a r t i k e l

p a d a p e r i s t i w a k e g a g a l a n v a k u m( s u m b e r : M . S . N a e d u K . , 1 9 8 5 )

(B) MEKANISME PEMANASAN ANODA

Pada teori ini, dianggap elektron-elektron yang terlepas pada

bagian katoda (lihat pada Gambar 3.19) akan bergerak

menuju ke anoda, elektron yang bergerak ini akan menumbuk

dinding dari anoda, tumbukan yang bertubi-tubi dari elektro ini

akan menyebabkan kenaikan suhu pada permukaan dari

anoda. Karena pengaruh dari medan listrik yang tinggi dan

adanya pemanasan pada permukaan anoda maka ion positif

dari anoda akan terlepas juga.

39


Gambar 3.19Mekanisme pemanasan mikroproyektil

di permukaan katoda(sumber: M.S. Naedu K., 1985)

MEKANISME CLUMP

Dasar pemikiran teori Clump ini adalah sebagai berikut :

1. Sekumpulan partikel yang merugikan (clump) berkumpul pada

permukaan katoda

2. Karena pengaruh dari tegangan tinggi, partikel ini akan

terlepas dan bergerak dengan kecepatan tinggi menyeberangi

celah (gap) menuju ke anoda.

3. Kegagalan akan mulai terjadi pada saat partikel yang terlepas

dari katoda tersebut menumbuk permukaan dari anoda.

Proses yang terjadi (lihat Gambar 3.20) selanjutnya sama seperti

yang terjadi pada mekanisme lainnya, tumbukan ini akan

menyebabkan terlepasnya partikel dari anoda, selanjutnya partikel-

partikel yang terlepas dari anoda dan katoda akan bercampur pada

celah udara, sehingga akan menyebabkan keadaan homogen pada

celah udara ini. Maka proses kegagalan terjadi .

40


41


Gambar 3.20(a,b,c) Mekanisme Clump pada kegagalan Vakum


42

3 bab 3 kegagalan isolasi

Documents