TUGAS FISIKA INSTRUMENTASI

PENENTUAN KONSTANTA DIELEKTRIK DENGAN

METODE STEP VOLTAGE

Disusun Oleh:

Luthfya Umahati

H1E010006

KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN

UNIVERSITAS JENDERAL SOEDIRMAN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNIK

JURUSAN MIPA PROGRAM STUDI FISIKA

2012

1. Kapasitor

Kapasitor adalah piranti yang berfungsi untuk menyimpan muatan dan

energi listrik. Kapasitor terdiri dari dua konduktor terbuat dari plat metal yang

berdekatan tetapi terisolasi oleh bahan dielektrik dan membawa muatan yang

sama besar namun berlawanan seperti terlihat pada gambar di bawah.

.

Kapasitor Keping Sejajar

Bahan-bahan dielektrik misalnya udara, keramik, gelas dan lain-lain. Jika

kedua ujung plat metal diberi tegangan listrik, maka muatan-muatan positif akan

mengumpul pada salah satu kaki (elektroda) metalnya dan pada saat yang sama

muatan-muatan negatif terkumpul pada ujung metal yang satu lagi. Muatan positif

tidak dapat mengalir menuju ujung kutup negatif dan sebaliknya karena terpisah

oleh bahan dielektrik yang non-konduktif. Muatan elektrik ini "tersimpan" selama

tidak ada konduksi pada ujung-ujung kakinya.

Di alam bebas, fenomena kapasitor ini terjadi pada saat terkumpulnya

muatan-muatan positif dan negatif di awan[4]. Kemampuan material untuk

polarisasi dinyatakan sebagai permisivitas (ε), dan permitivitas relative (κ) adalah

rasio antara permitivitas material (ε) dengan permitivitas vakum (ε0).

Contoh perhitungan konstanta dielektrik dapat dilakukan dengan

persamaan (2.7) sebagai berikut :

I=I 0 e−τ /RC (2.7)

Nilai maksimum dterlihat pada persamaan (2.8) dan (2.9) yaitu terjadi pada saat :

I=I 0

q, (2.8)

I 0

q=I 0 e−τ /RC (2.9)

Sehingga didapat hubungan melalui persamaan (2.10) dan (2.11) yaitu:

t=RC atau C= tR

(2.10)

Dari hubungan

C=ε ε0Ad

(2.11)

keterangan :

εo = permitivitas relative dalam ruang hampa = 8.85 x 10-12 C2/N m2

A = luas kontak aluminium

d = ketebalan film tipis

sehingga didapatkan konstanta dielektrik film tipis seperti pada persamaan (2.12) :

ε= C ×dA × ε0

(2.12)

2. Penentuan Dielektrik dengan Metode Voltage versus Leakage Current

Test (Step-Voltage Test)

Dalam pengujian ini, tegangan dinaikkanbertahap dengan nilaiyang

samadan waktu yangdiperbolehkan antarasetiap tahap untuk membuat kebocoran

arusmenjadistabil. Arus relatiftinggi setinggitegangan yang diberikankarena

adanyaarus charging kapasitansidan aruspenyerapandielektrik. Dengan

berjalannya waktu, arustransienmenjadiminimaldenganarus steady-state yang

tersisa,yang merupakankebocoran arusyang sebenarnya danarus penyerapan yang

jumlahnya sangat kecil.

Padasetiap tahap pemberiantegangan, dilakukan pembacaan arus

bocorsebelummelanjutkan ke tahapberikutnya.Biasanya, dianjurkan bahwa

sedikitnya digunakan delapantahapyang sama daritegangandan waktu untuk

masing-masing tahap setidaknya1-4menit. Kebocoranarus terhadap

tegangantersebut kemudiandiplot sebagaikurva.Selamakurvalinearuntuk setiap

tahap, sistem isolasidalam kondisi yang baik.Pada beberapanilai dari tahap

tegangan,jika kebocoranarus mulaitampak meningkat, kenaikan

kemiringankurvaakan diperhatikan, seperti ditunjukkan pada gambar kurva di

bawah.

Jika pengujiandilanjutkandi luar teganganuji ini,kebocoran arusakan

meningkatbahkan lebih cepatdan kerusakan dapat segera terjadi padaisolasi kabel.

Pengujianharus segera dihentikansetelahpeningkatankemiringanpada kurva.

Kebocoran arusmaksimum yang diperbolehkanuntuk kabelbaru dapat

ditentukan darirumusICEAuntuk tahanan isolasi minimum yang telah dibahas

sebelumnya. Rumus untukkebocoran aruskemudian dapatditulis sebagai berikut:

Keterangan

IL = konduksiatauarus bocor

E = tegangan uji

K = tahananisolasiper 1000ft pada60 °F

D = diameterdariisolasi

d = diameterdarikonduktor

Dalam metode ini, tegangan diberikan secara bertahap ke isolasi yang diuji

dengan metode mengontrol tegangan. Saat tegangan meningkat, isolasi yang

lemah akan menunjukkan ketahanan yang lebih rendah yang tidak jelas pada

tingkat tegangan yang lebih rendah. Langkah-tegangan tes ini sangat berharga

ketika dilakukan secara periodik.

Ketika tegangan DC diberikan pada sebuah isolasi, maka tekanan medan

listrik menimbulkan kenaikan pada konduksi arus dan polarisasi listrik.

Pertimbangkan rangkaian dasar seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1, yang

menunjukkan sumber tegangan DC, switch,dan spesimen isolasi. Ketika saklar

ditutup, isolasi menjadi berlistrik dan mengalir arus yang sangat tinggi pada saat

yang saklar tersebut ditutup. Namun, nilai arus langsung turun, dan kemudian

menurun pada tingkat lebih lambat sampai mencapai nilai hampir konstan. Arus

yang digambarkan oleh isolasi dapat dianalisis ke dalam beberapa komponen

sebagai berikut:

• Capacitance charging current

Capacitance charging current memiliki nilai sebesar tegangan DC yang

digunakan dan dapat dihitung menggunakan rumus :

ie = kapasitansi arus pengisian

E = tegangan (kV)

R = resistansi (MΩ)

C = kapasitansi (µF)

t = waktu (s)

e = basis logaritma Napierian

• Dielectric absorption current

Dielectric absorption current juga tinggi saattegangan uji diberikan dan

menurun dengan meningkatnya waktu penggunaan tegangan,

tetapi pada tingkat yang lebih lambat dari

Capacitance charging current. Arus ini tidak setinggi

Capacitance charging current. Dielectric absorption

current dapat dibagi menjadi dua arus yaitu arus

charge reversibel dan ireversibel. Arus charge reversibel dapat dihitung dengan

rumus:

ia = dielectric absorption current

V = tegangan uji (kV)

C = kapasitansi (µF)

D = proporsional konstan

T = waktu (s)

N = konstanta

Arus charge ireversibel memiliki bentuk umum yang sama dengan arus charge

reversibel, tetapi jauh lebih kecil di magnitude nya. Arus charge ireversibel

hilang dalam isolasi dan dengan demikian tidak dapat dipulihkan. Waktu yang

cukup harus diberikan sebelum merekam data dari tes sehingga reversible

absorption current mengalami penurunan ke nilai yang rendah.

• Surface leakage current

Surface leakage current ini disebabkan oleh konduksi pada permukaan isolasi.

Arus ini tidak diinginkan dalam hasil pengujian dan karena itu harus

dihilangkan dengan cara hati-hati membersihkan permukaan konduktor untuk

menghilangkan jalur kebocoran, atau harus ditangkap dan dijaga dari

pembacaan meter.

• Partial discharge current (corona)

Partial discharge current juga dikenal sebagaikorona, disebabkan oleh

overstressing udara padasudut tajamdari konduktorkarena uji

tegangantinggi.Arus ini tidak diinginkandan harusdihilangkan

denganpenggunaan stress control shielding pada titik-titiktersebut

selamates.Arus initidak terjadipada tegangan rendah(dibawah4000volt),

• Volumetric leakage currVolumetric leakage current yang mengalir melalui

volume isolasi itu sendiri adalah penting. Arus ini digunakan untuk

mengevaluasi kondisi dari sistem isolasi saat pengujian. Waktu yang cukup

harus diberikan untuk volumetric current untuk stabil sebelum pembacaan tes

dicatat.

Fenomena Dielektrik dan Polarisasi

Dielektrik memiliki sifat penyerapan naik sementara dan permanen dari

muatan listrik dan property konduksi. Ketika tegangan diberikan pada dielektrik,

gaya pada muatan positif dan negative yang melekat dalam partikel yang

membentuk dielektrik cenderung mengarahkan partikel sejalan dengan bidang

yang diterapkan. Beberapa bahan dielektrik memiliki molekul yang memiliki

jumlah atom yang tidak merata, yaitu, memiliki susunan muatan yang asimetris.

Ketika molekul tersebut ditempatkan dalam medan listrik, molekul itu akan

bermigrasi dalam medan listrik sehingga menjadi terpolarisasi dengan medan

listrik. Molekul seperti itu disebut dipole. Dipol memiliki peran penting dalam

karakteristik isolasi. Sebuah dipol dapat diwakili oleh sebuah partikel

yang memiliki muatan positif kecil di satu ujung dan muatan negatif kecil di

ujung lainnya. Ketika dipol diberikan tegangan DC, mereka terpolarisasi.

Fenomena ini dikenal sebagai polarisasi dipol. Fenomena polarisasi kuat

dipengaruhi oleh sifat material, struktur dan kondisi isolasi.

Keuntungan dan Kerugian dariStep Voltage DC

Pengujiantegangan DC biasanya digunakan untuk pengujian peralatan

listrik dan aparat. Pengujian tegangan DC memiliki kelebihan dan kekurangan

yang bervariasi Keuntungan dan kerugian dari tegangan DC adalah sebagai

berikut.

Keuntungan

• DC tes lebih dipiih pada peralatan yang memiliki nilai charge kapasitansi

yang sangat tinggi,seperti kabel.

• Tekanan tegangan DC dianggap jauh lebih rendah merusak isolasi daripada

tegangan AC.

• Tes dapat dihentikan sebelum terjadi kegagalan peralatan.

• Pengukuran dapat diambil secara bersamaan.

• Data historis dapat dikompilasidan tersedia untuk evaluasi.

• Tidak perlu ada tesresistansi isolasi terpisah sebelum tes over potential DC.

• Ukuran dan berat peralatan signifikan berkurang dibandingkan dengan

tegangan uji AC.

Kekurangan

• Distribusi tekanan untuk transformer, motor, kumparan Generator berbeda

untuk tegangan DC dengan tegangan AC.

• Sisa charge setelah tes tegangan DC harus dihilangkan dengan hati-hati.

• Waktu yang dibutuhkan untuk melakukan uji tegangan tinggi lebih lama

dibandingkan dengn uji tegangan tinggi AC.

• Terdapat literatur pengujian DC yang menyatakan bahwa dimungkinkan

efek pengujian tegangan tinggi DC berbahaya pada beberapa jenis kabel.

• Kerusakan yang tidak terdeteksi dengan DC, dapat menyebabkan kegagalan

saat tegangan AC.

• Temperatur dan tegangan mempengaruhi resistivitas.

DAFTAR PUSTAKA

Electrical Power Equipment Maintenance and Testing, Second Edeition, Paul Gill.