breakdown dielektrik gas

122
BREAKDOWN - Dielektrik Gas - Primas Emeraldi

Upload: muhammad-sitanala

Post on 14-Nov-2015

263 views

Category:

Documents


39 download

DESCRIPTION

Breakdrown Dielektrik Gas

TRANSCRIPT

BREAKDOWN - Dielektrik Gas -

BREAKDOWN- Dielektrik Gas -Primas EmeraldiPendahuluanInsulation / IsolasiMencegah aliran listrik antara dua potensial yang berbedaInsulator / IsolatorMaterial yang digunakan untuk memperoleh isolasi listrik pada sistem isolasi Gas Liquid Solid Electrical discharge / Peluahan ListrikSemua dielektrik (isolator listrik) bisa menahan tegangan (medan listrik) terapan di bawah nilai kritis. Jika tegangan (medan listrik) terapan pada dielektrik melebihi nilai kritis tersebut maka akan menimbulkan discharge (peluahan muatan) pada media isolator. Electrical dischargesTipe Electrical discharges: Breakdown: Peluahan listrik sempurna melalui isolator. Flashover: Peluahan listrik sempurna melompati sekitar isolator. Partial discharge: Peluahan sebagian (partial breakdown) pada daerah dengan stress listrik yang tinggi (medan listrik tinggi).

CoronaPeluahan sebagian (partial discharge) yang terjadi disekitar radius lengkung yang kecil pada elektroda (sharp edges, corners, needles, ... )

Udara atmosfir sebagai isolator

Karakteristik Udara Sebagai IsolatorDielektrik yang tersedia bebas (murah) adalah udara atmosfir. Udara admosfir merupakan campuran berbagai gas.

Persentase terbesar adalah Nitrogen (78%), yang merupakan gas electropositive. Oxygen (20%), merupakan gas electronegative yang sangat lemah. Hydrogen, merupakan gas electronegative, (5 x 10-5%) Secara praktis: udara adalah gas electropositive. Electronegative: kecendrungan menarik elektronElectropositive: kecendrungan menyumbangkan elektronPendahuluanProses kegagalan pada bahan isolasi gas sangat tergantung dari pembawa muatan dalam gas. Pembawa muatan dalam hal ini adalah elektron-elektron dan ion-ion.Pembawa muatan ini bergerak karena medan Iistrik dan dalam pergerakannya mencapai energi tertentu untuk membentuk pembawa muatan baru melalui proses ionisasi. Karakteristik pembawa muatan pada gas sangat dipengaruhi oleh proses benturan dengan molekul.Struktur Atom

Struktur Atom & Ionisasi

Energi Muatan

Energi eksitasi atom

Jika tegangan antara dua orbit diterapkan pada elektron, maka elektron akan melompat ke orbit yang lebih tinggi. IonisasiIonisasi yaitu memindahkan elektron dari atom atau molekul.

Kecepatan Molekul GasPergerakan termal sebuah molekul dalam gas bersifat acak atau tak beraturan. Molekul bergerak dengan arah dan panjang jalur pergerakan yang berbeda-beda. Jalur ini mempunyai sudut tajam pada tempat dimana molekul ini mengalami benturan dengan molekul lain

Distribusi Boltzmann-MaxwellMolekul bergerak dengan kecepatan berbeda-beda bergantung pada temperatur dan berat molekul.Pada gas ideal kecepatan molekul atau partikel mengikuti distribusi Boltzmann-Maxwell

N(v) jumlah partikel dengan kecepatan v, N adalah jumlah total partikel dan vw adalah kecepatan yang paling mungkin.Kecepatan rata-rata vm karena ketidaksimetrian distribusi lebih besar dari vwDemikian pula dengan kecepatan efektif veff lebih besar dari kecepatan rata-rata vm

Energi Kinetik PartikelEnergi kinetik rata-rata sebuah partikel dengan massa m adalah:

k adalah konstanta Boltzmann : 1.38.10-23ws/'K(;oulel'K) atau sama dengan 8.617'10-5eV/K T adalah temperatur mutlak f adalah derajat kebebasan yang nilainya tergantung dari jenis gas ("f: 3 untuk gas satu atom, gas rnurni dan elektron (3 derajat kebebasan translasi); f: 5 untuk gas 2 atom (3 translasi dan 2 rotasi) dan f: 6 untuk gas sama dengan dan lebih 3 atom (tiga translasi dan 3 rotasi)).Energi pada gas hanya ditentukan oleh temperatur partikel.Untuk gas satu atom

Relatif masa molekul dan kecepatan efektif molekul untuk berbagai gas pada 273 KPanjang Jalur Bebas ()Pada model gas ideal, partikel bergerak sepanjang jalur bebas, , sebelum proses benturan dengan partikel Iain. Panjang jalur bebas pergerakan partikel sangat bervariasi dan merupakan proses statistik yang memunculkan parameter panjang jalur bebas rata-rata m .Panjang Jalur Bebas / Free Path ()Panjang Jalur Bebas / Free Path ()Jarak yang ditempuh oleh partikel / pembawa muatan antara dua tumbukan

Partikel bermuatan mengambil energi dari medan Iistrik dan memberikannya sebagian pada molekul dan atom gas saat proses benturan. Proses benturan ini dapat mengakibatkan ionisasi yang dapat menyebabkan terjadinya pertambahan pembawa muatan (elektron) dan dapat menyulut proses kegagalan pada bahan isolasi gas.Proses ini terjadi apabila energi dan juga kecepatan pembawa muatan melampaui suatu nilai batas tertentu.Gaya akibat medan listrik pada pembawa muatan menyebabkan pergerakan termal yang semula tak beraturan menjadi pergerakan beraturan yang searah medan. Pergerakan sebuah partikel jenis A dengan jari-jari rA dalam perjalanamya melalui gas dengan jenis partikel B

Sebuah luasan benturan antara partikel A dan partikel B yang ditandai dengan permukaan lingkar putus-putus disebut dengan cross-section (luasan) benturan atau luasan efektif as

partikel B diasumsikan dalam keadaan statis. Kemungkinan (probabilitas) benturan antara partikel A dan partikel B dalam jalur zigzag adalah:

nB adalah kerapatan molekul gas. Karena panjang jalur bebas bernilai rata-rata m maka probabilitas terjadi sebuah proses benturan pada jalur ds adalah:

Sehingga:

Panjang jalur bebas rata-rata tergantung dari kerapatan gas nB dan luasan efektif aS. Dengan asumsi bahwa keberadaan partikel A sangat sedikit dalam gas B, sehingga dengan pengabaian partikel A yang mana berarti n = nB dan dengan

Pembangkitan Pembawa MuatanProses kegagalan pada isolasi gas sangat ditentukan oleh pembawa muatan dalam hal ini adalah elektron dan ionPembangkitan pembawa muatan ini secara umum terjadi melalui dua proses yakni proses ionisasi dan proses emisi. Proses ionisasi terjadi pada ruang gas sedangkan proses emisi terjadi pada permukaan elektrode.ionisasiPEMBENTUKAN PEMBAWA MUATAN# Proses IonisasiProses ionisasi adalah sebuah proses perbanyakan elektron pada ruang gas. Ionisasi benturanIonisasi PhotonIonisasi Termal1. Ionisasi Benturan / Collision

Pada benturan tipe 1 menghasilkan ionisasi langsung, tanpa harus lawan bentur mengalami kondisi eksitasi.

Pada benturan tipe 2 terjadi pertukaran energi potensial (kondisi tereksitasi)Ionisasi Benturan / Collision

Prosesnya bersifat kumulatif Jumlah elektron akan bertambah seiring pergerakan elektron akibat gaya dari medan listrik EPada peluahan gas, yangpaling menentukan adalah proses benturan yang menghasilkan elektron. Agar pada saat benturan, elektron dapat mengionisasi atau mengeksitasi sebuah molekul maka energi yang dimiliki oleh elektron akibat gaya medan Iistrik harus sebanding atau lebih besar dari energi ionisasi atau energi eksitasi molekul.Gaya medan yang bekerja pada elektron dan ion adalah:

Jika Wkin > Wi, maka akan terjadi benturan tipe 1 yang menyebabkan ionisasi langsung. Disisi lain apabila Wkin < Wi ionisasi terjadi melalui benturan tipe 2 atau ionisasi bertingkat.Sebuah elektron me WI dapat terjadi, namun kemungkinan kecil (diabaikan)Pada busur cahaya atau busur api, ionisasi termal merupakan proses yang sangat dominan dalam pembentukan pembawa muatan. Sebuah ukuran kuantitatif derajat ionisasi dapat diperoleh dari persamaan Eggert-Saha

p = adalah tekanan dalam bar; T = adalah temperatur dalam Kalvin; k = konstanta Boltzmann h = konstanta PlanckWI = energi ionisasi; me = massa elektron; NI = jumlah pasangan ionN = jumlah total partikelThermal ionization becomes significant only at temperatures above 10,000 K , as shown in Fig. 6.4

Fig 6.4 Degree of ionization of thermally ionized gases at 1 bar During electrical breakdown in gases, thermal ionization has its significance only towards the final stage of breakdown. Because of the transformation of large amount of energy in the electrically conductive channel (known as 'leader') towards the final stage of breakdown, an exceptionally high temperature rise in this channel core is possible. emisiPEMBENTUKAN PEMBAWA MUATAN# Proses Emisi PermukaanProses emisi dimengerti sebagai pembentukan pembawa muatan pada sebuah elektrode. Semua proses emisi ini berarti bahwa elektron hanya dapat dilepaskan dari material katode melalui pemberian energi fungsi kerja material Wa

Energi emisi dapat diperoleh dengan berbagai cara:Emisi Elektron Sekunder Emisi PhotonEmisi TermalErnisi Medan

1. Emisi Elektron SekunderEmisi elektron sekunder sama dengan proses ionisasi benturan. Benturan ion positif pada permukaan katode dapat membebaskan elektron. Agar elektron dapat diemisikan, 2 buah elektron harus dibebaskan melawan fungsi kerja ikatan metal. Energi ionisasi WI yang terbebaskan dan energi kinetik ion untuk membebaskan elektron kedua dari katode harus lebih besar atau sama dengan 2Wa, sehingga kelebihan elektron sebagai emisi elektron kedua:

2. Emisi PhotonPhoton dapat membebaskan elektron dari material padat jika energi photon h.v lebih besar dari fungsi kerja Wa.Kelebihan energi elektron bebas akan ditransformasikan menjadi energi kinetik elektron dan berlaku:

Kondisi panjang gelombang cahaya harus terpenuhi untuk emisi adalah

Karena fungsi kerja metal lebih kecil dari energi ionisasi molekul gas, cahaya dan panjang gelombang pendek dan energi lemah dapat membebaskan elektron.Untuk Aluminium (Wa = 1.77 eV), dengan < 700 mm, artinya cahaya merah kasat mata dapat membebaskan elektron dari elektrode aluminium.3. Emisi TermalPada temperatur yang cukup tinggi bebeberapa elektron yang karena pergerakan termal memiliki energi kinetik yang lebih besar dari fungsi kerja bahan elektrode (Wa). Efek ini banyak digunakan pada katode termal pada tabung elektrode. Arus emisi termal j dapat diperoleh dengan pendekatan persamaan Richardson:

Pada temperatur medan, arus emisi melalui emisi termal dapat diabaikan. Contoh yang bisa diambil adalah aluminium elektrode dengan Wa = - 1.77 eV, pada temperatur T = 300o K kerapatan arus j adalah 2x10-19 A/m2Sedangkan pada temperatur T = 100o K kerapatan arus j adalah 1.3x103 A/m24. Emisi MedanElektron dapat langsung dilepaskan dari ikatan metal elektrode pada medan listrik yang cukup besar (E > 109 V/m). Elektron merupakan barier potensial pada lapisan batas metal/dielektrikum yang magnitudenya sebanding dengan fungsi kerja metal. Dengan memberikan medan luar barier ini menjadi bukit potensial yang dapat dilalui elektron secara mekanika quantum (tunnel effectf efek gorong-gorong).

Tingkat energi material,a) tanpa medan listrik; b) akibat pengaruh medan listrikAdanya kontaminasi dan puncak mikro pada elektrode menyebabkan kuat medan miskrokopis jauh lebihbesar daripada kuat medan mikroskopis rata-rata sehingga dengan kuat medan E < 109 V/m telah terdeteksi arus emisi yang signifikan. Persamaan Fowler-Nordheim memberikan besaran kerapatan arus emisi kuantitatif:

# Rekombinasi Pembawa MuatanSeperti pembentukan pembawa muatan, terjadi pula pemusnahan muatan. Pada keadaan setimbang artinya tanpa medan listrik atau pada sebuah peluahan gas yang stabil, pembangkitan dan pemusnahan pembawa muatan mernpunyai jumlah sama besar. Rekombinasi seperti juga pembentukan pembawa muatan dibedakan antara efek ruang dan efek elektrode.1. Rekombinasi elektrodeElektron akan diserap oleh elektrode dan melepaskan ion. Energi kinetik dan potensial pembawa muatan ditransformasikan menjadi panas atau energi cahaya.2. Rekombinasi RuangRekombinasi ruang adalah proses yang dominan pada plasma tekanan tinggi.Rekombinasi ruang adalah proses lawan dari ionisasi.Proses Dua BenturanEmisi sebuah photon

Sebuah elektron dengan energi kinetik yang dapat diabaikan mendekati sebuah ion statis dan terekombinasi. Energi ionisasi yang terbebaskan WI tidak dapat ditransformasikan menjadi energi kinetik atom/molekul karena tidak memenuhi hukum kekekalan energi dan kekekalan momentum. Artinya energi terbebaskan akan diberikan dalam bentukkuantum cahaya.

Proses Tiga Benturan

Kecepatan Layang & Mobilitas

Pembawa muatan bergerak pada lintas sejajar atau paralel.gaya pada sebuah elektron kearah anode

1. Pergerakan Pembawa Muatan Pada VacuumPada vakum tinggi proses benturan pembawa muatan dengan partikel lain dapat diabaikan karena rendahnya kerapatan molekul. Kecepatan pergerakan pembawa muatan hanya tergantung pada efek medan listrik.Sehingga pembawa muatan harus tersedia dari elektrode. Kecepatan pembawa muatan ini akan terus menerus meningkat dalam ruang medan. Jika elektron teremisi dari katode, maka pada elektron akan bekerja gaya karena medan listrik.

Energi yang diambli dari medan listrik bernilai

Energi ini akan ditransformasikan menjadi energi kinetik elektron

kecepatan elektron:

2. Pergerakan Pembawa Muatan Pada Gas

u adalah kecepatan layang (drift velocity) dan b adalah mobilitas

Teorema discharge pada gas09/03/2015Teorema Discharge Pada GasTownsend (Electron Avalance)PaschenStreamerteori townsendLongsoran Elektron (Electron Avalance)

Proses ionisasi menimbulkan longsoran elektron (electron avalance)Koefisien Ionisasi TowndsendKoefisien Ionisasi Townsend Pertama ()Koefisien Ionisasi Townsend Kedua ()# Koefisien Ionisasi Townsend Pertama ()Jumlah rata-rata ionisasi akibat benturan oleh satu elektron perunit drift (1 cm) yang searah dengan medan

# Koefisien Ionisasi Townsend Kedua ()Jumlah pasangan ion yang dibentuk oleh satu ion positif per unit drift (1 cm) pada arah medan is the number of ion pairs made by one positive ionIon pisitif memindahkan elektron dari katoda saat membentur katoda.

:jumlah elektron yang dilepaskan dari katoda oleh satu ion positif yang membentur katoda.

jika =1/50, berarti satu elektron bisa dilepaskan dari katoda jika 50 ion positif membenturnya.

Koefisien Ionisasi Townsend

Fig 8.4 Townsend breakdown mechanism schematic. Spark BreakdownJika kondisi ini tercapai, maka setidaknya ada satu elektron yang terlepas dari katoda dan proses discharge bisa berlanjutKondisi ini disebut juga sebagai: self-sustainability of discharge.

Tegangan Brekdown Pada Medan Seragam( Teorema Townsend)

contd

Konstanta untuk A dan B untuk berbagai gascontd

contd

Tegangan tembus (Breakdown) tergantung pada tekanan (p) dan jarak sela elektroda(d) Hukum PaschenKurva Paschen

1 Torr =133.322368 pascalsNilai Kritis (p.d)

contd

Nilai Kritis (p.d) agar tegangan tembus minimum:Tegangan Tembus Minimum (Umin)

Kekuatan tembus Isolasi GasMedan Seragam

Hukum Paschen

Contoh SoalBerapa Tegangan Tembus & Medan Listrik Tembus isolator udara pada medan seragam dengan jarak sela 1 cm dan tekanan udara 1.013 bar?diketahui A= 645 (bar mm)-1, B= 19.0 kV/ (bar mm) dan d= 13.3

teori streamerStreamer Theoryteori ini menjelaskan peluahan pada jarak sela yang besar dan tekanan tinggi. > 500 . Teori Streamer memprediksi perkembangan spark discharge dari sebuah longsoran elektron (avalanche)Mekanisme Streamer

1. Teori Streamer untuk Medan Seragam

Proses streamerMuatan ruang yang terbentuk pada avalance menyebabkan distorsi medan listrik. elektron bergerak sangat cepat (kepala) sedangkan ion positif tertinggal dibelakang (ekor).Medan listrik meningkat pada daerah didepan kepala avalance serta daerah antara ekor avalance dan katodaKarena peningkatan medan antara kepala avalance dan anoda maka muatan ruang juga meningkat menyebabkan peningkatan lebih lanjut medan disekitar anoda. Proses berlangsung sangat cepat dan muatan ruang positif melebar ke katoda secara cepat menyebabkan pembentukan streamer.

(a)shows the stage when avalanche has crosse d the gap,(b)shows that thestreamer has crossedhalf the gap length(c)shows that the gap has been bridged by aconducting channel

Tegangan Tembus Teori Streamer

2. Teori Streamer untuk Medan Tidak Seragam

Konfigurasi Medan Tak Seragam

breakdown pada vacuumVacuum

Mekanisme Breakdown pada VacuumParticle exchange mechanismField emission mechanismClump theory# Particle Exchange Mechanism

# Field emission mechanism

# Clump theory

sf6 sebagai isolator

Karakteristik Gas Sulphurhexafluoride, SF6Sulphurhexafluoride diproduksi pertama kali pada 1900 oleh Moissan dan Lebeau Sebagai dielektrik pada bidang fisika atom.1950 diaplikasikan pada high voltage circuit breakers. Karakteristik FisikPada molekul SF6 , enam atom fluorine terikat/tersusun secara seragam (octahedron) pada atom sulphur. 6 ikatan kovalen yang stabil antara atom sulfur dengan atom flourine yang sangat elektronegative. Atom Flourine dan Sulphur mempunyai koefisien elektronegatif yang tinggi (4 dan 2.5), koefisien ini menyatakan kecenderungan untuk menarik elektron atom lain(menangkap elektron bebas) untuk membentuk ikatan dipole.Struktur simetris yang kokoh, jarak ikatan yang kecil dan energi ikatan yang besar antara atom-atom pada molekul SF6 menghasilkan stabilitas yang tinggi.Penguraian termal pada gas SF6 murni mulai pada temperatur yang sangat ekstrim (diatas 1000o K). Pada sistem tenaga temperatur tinggi seperti itu hanya terjadi pada electrical arcs. Bahkan pada temperatur tinggi yang berkelanjutan sampai 500 K, tidak menyebabkan terjadinya dekomposisi termal dan reaksi kimia dengan material lain. SF6 tidak beracun, tidak berwarna dan tidak berbau.

Karakteristik ListrikMassa molekul SF6 cukup tinggi (146), mempunyai densitas (kerapatan) yang tinggi, sehingga pembawa muatan hanya mempunyai jalur bebas yang pendek.Sifat SF6 yang mempunyai electronegativity dan energi ionisasi yang tinggi menghasilkan kekuatan dielektrik yang tinggi.SF6 bisa berupa zat cair atau gas, pada variasi tekanan dan temperatur untuk berbagai konstanta kerapatan gas.

Aplikasi praktis SF6 pada GIS. SF6 harus batasan tekanan dan temperatur operasi dari gas, SF6 tidak boleh menjadi cairan yang bisa menyebabkan sifat isolasi listriknya bisa terpengaruh.