KEGAGALAN BAHAN ISOLASI

Oleh :

Putu Rusdi Ariawan (0804405050)

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA

JIMBARAN-BALI

2009

ii

ABSTRAK

Bahan isolasi merupakan alat yang digunakan untuk memisahkan bagian-bagian yang bertegangan atau bagian-bagian yang aktif. Bahan isolasi merupakan suatu peralatan yang digunakan sebagai pembatas dan pengaman pada peralatan listrik yang mempunyai kekuatan listrik yang cukup untuk menjamin sistem keselamatan yang diperlukan pada saat peralatan listrik tersebut beroperasi maupun tidak beroperasi. Jika fungsi dari bahan ini, fungsi utamanya sebagai pengisolasi maka dinamakan bahan isolasi, sedangkan bilamana fungsi utamanya sebagai penyimpan muatan listrik maka bahan ini dinamakan bahan dielektrik. Di dalam bahan ini elektron terikat kuat pada atom nukleusnya sehingga konduksi oleh elektron tidak akan terjadi.

Udara dan gas adalah suatu dielektrik yang paling mudah ditemukan, yang mana banyak digunakan sebagai bahan untuk mengisolasi peralatan listrik tegangan tinggi. 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 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.

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. 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). Mekanisme kegagalan pada bahan isoalsi gas meliputi mekanisme kegagalan townsend dan mekanisme kegagalan streamer.

Kata kunci : Resistivitas, Permitivitas, Sudut Kerugian Dielektrik, Kegagalan termal, Kegagalan streamer, Kegagalan Townsend, Ionisasi

iii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis aturkan Kepada Tuhan Yang Maha Esa , karena

atas berkat dan rahmatnya, tugas makalah ini dapat diselesaikan tepat pada

waktunya .

Tugas makalah ini merupakan perwujudan usaha saya untuk senantiasa

menambah wawasan. Dalam pelaksaan ini penulis banyak mendapat bantuan dari

berbagai pihak yang tidak mungkin disebut satu persatu. Untuk itu penulis

mengucapkan terima kasih sedalam-dalamnya kepada semua pihak yang telah

membantu pelaksanaan penulisan ini.

Penulis menyadari bahwa tugas makalah ini masih jauh dari kata

sempurna sehingga penulis tidak menutup diri untuk menerima kritik dan

sarandari pembaca, pada akhir kata, besar harapan penulisan semoga makalah ini

dapat bermanfaat bagi pembaca.

Denpasar, Mei 2009

Penulis

iv

DAFTAR ISI

Hal

JUDUL ........................................................................................................ i

ABSTRAK................................................................................................... ii

KATA PENGANTAR................................................................................. iii

DAFTAR ISI ............................................................................................... iv

DAFTAR GAMBAR................................................................................... vi

BAB I PENDAHULUAN ............................................................................ 1

1.1 Latar Belakang ...................................................................................... 1

1.2 Rumusan Masalah .................................................................................. 1

1.3 Tujuan.................................................................................................... 2

1.3.1 Tujuan Umum ............................................................................ 2

1.3.2 Tujuan Khusus............................................................................ 2

1.4 Manfaat .................................................................................................. 2

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ................................................................. 3

2.1 Bahan Isolasi Gas .................................................................................. 3

2.2 Bahan Isolasi Cair ................................................................................. 4

2.3 Bahan Isolasi Padat ............................................................................... 4

BAB III METODELOGI............................................................................ 5

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian................................................................. 5

3.2 Data ....................................................................................................... 5

3.2.1 Sumber Data............................................................................... 5

3.2.2 Jenis Data ................................................................................... 5

3.2.3 Metode Pengumpulan Data ......................................................... 6

3.3 Alur Analisis .......................................................................................... 6

BAB IV PEMBAHASAN............................................................................ 7

4.1 Partial Discharge dan Kegagalan Bahan Isolasi ..................................... 7

4.2 Mekanisme Kegagalan Bahan Isolasi Padat ........................................... 8

v

4.2.1 Kegagalan asasi (intrinsik).......................................................... 8

4.2.2 Kegagalan elektromekanik ......................................................... 9

4.2.3 Kegagalan streamer ................................................................... 10

4.2.4 Kegagalan termal ....................................................................... 11

4.2.5 Kegagalan Erosi ......................................................................... 12

4.2.6 Kegagalan Bahan Isolasi Padat Dalam Praktek ........................... 15

4.2.6.1 Kegagalan Kimia Dan Elektro-kimia .............................. 15

4.2.6.2 Kegagalan Tracking Dan Treeing ................................... 16

4.3 Mekanisme Kegagalan Bahan Isolasi Cair .............................................. 18

4.3.1 Kemampuan Konduksi Dan Peristiwa Kegagalan Benda Cair .... 19

4.3.1.1 Mekanisme Partikel Yang Melayang .............................. 19

4.3.1.2 Mekanisme gelembung atau Kavitasi pada Zat Zair......... 20

4.3.1.3 Mekanisme Kegagalan Termal ....................................... 22

4.3.1.4 Mekanisme Volume Minyak Yang Tertekan.................... 23

4.3.2 Kegagalan Elektronik pada Zat Cair ........................................... 24

4.3.3 Kegagalan Bola Cair dalam Zat Cair .......................................... 25

4.3.4 Kegagalan Butiran Padat dalam Zat Cair .................................... 26

4.3.5 Kegagalan Campuran Zat Cair-Padat .......................................... 27

4.3.6 Pengamatan Kegagalan Di Dalam Minyak Pada Waktu Percobaan

................................................................................................... 28

4.4 Mekanisme Kegagalan Bahan Isolasi Gas............................................... 30

4.4.1 Mekanisme Kegagalan Townsend .............................................. 30

4.4.2 Mekanisme Kegagalan Streamer ................................................ 31

BAB V PENUTUP ...................................................................................... 36

5.1 Simpulan ................................................................................................ 36

5.2 Saran...................................................................................................... 36

DAFTAR PUSTAKA

vi

DAFTAR GAMBAR

Hal

Gambar 4.1 Grafik Kegagalan Isolasi............................................................ 8

Gambar 4.2 Kegagalan Termal...................................................................... 11

Gambar 4.3 Kegagalan erosi dan rangkaian................................................... 13

Gambar 4.4 Bentuk Gelombang rongga isolasi ekivalen padat ...................... 13

Gambar 4.5 Bentuk Gas dalam rongga saat mengalami kegagalan ................ 14

Gambar 4.6 Pepohonan (treeing) listrik di dalam isolasi polimer (a) Proses

awal terbentunya treeing, (b) Treeing menjembatangi kedua

elektroda .................................................................................. 18

Gambar 4.7 Pengaruh Medan terhadap gelembung udara .............................. 21

Gambar 4.8 Kekuatan gagal medan gelombung............................................. 22

Gambar 4.9 Fungsi antara arus listrik bolak-balik berfrekuensi 50 Hz

denganvolume minyak yang mengalami tekanan ...................... 24

Gambar 4.10 Medan listrik bentuk sferoida................................................... 26

Gambar 4.11 Kegagalan butiran Padat .......................................................... 26

Gambar 4.12 Efek muatan ruang akibat banjiran elektron ............................. 33

Gambar 4.13 Streamer langsung katoda ........................................................ 34

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pembahasan tentang kegagalan bahan isolasi ini saya pilih dikarenakan

setiap tanya jawab selalu menyinggung tentang kelebihan dan kekurangan bahan

isolasi yang sedang dibahas.

Dari kekurangan bahan isolasi tersebut maka terlintas apa saja yang

membuat bahan isolasi itu menjadi kurang baik. Bahan isolasi yang kurang baik

itu pasti ada penyebab kegagalan dari bahan isolasi tersebut.

Dalam makalah ini, saya membahas tentang kegagalan bahan isolasi

padat, cair dan gas. Kegagalan isolasi ini berkaitan dengan adanya partial

discharge. Partial discharge (peluahan parsial) adalah peristiwa

pelepasan/loncatan bunga api listrik yang terjadi pada suatu bagian isolasi (pada

rongga dalam atau pada permukaan) sebagai akibat adanya beda potensial yang

tinggi dalam isolasi tersebut Partial discharge dapat terjadi pada bahan isolasi

padat, bahan isolasi cair maupun bahan isolasi gas.

1.2 Rumusan Masalah

Dalam makalah ini akan membahas permasalahan tentang :

1. Partial discharge (peluahan parsial).

2. Kegagalan bahan isolasi padat.

3. Kegagalan bahan isolasi cair.

4. Kegagalan bahan isolasi gas.

2

1.3 Tujuan

1.3.1 Tujuan Umum

1. Merupakan tugas akhir dari mata kuliah bahan listrik.

1.3.2 Tujuan Khusus

1. Dapat memahami pengertian partial discharge.

2. Dapat mengetahui mekanisme kegagalan dari bahan isolasi padat.

3. Dapat mengetahui mekanisme kegagalan dari bahan isolasi cair

4. Dapat mengetahui mekanisme kegagalan dari bahan isolasi gas.

1.4 Manfaat

Manfaat dari tugas makalah yang saya buat adalah saya dapat

mengetahui bagaimana cara penulisan makalah yang benar serta memberi

pangetahuan kepada para pembaca agar mengetahui dan memahami mekanisme

kegagalan dari suatu bahan isolasi.

3

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Bahan isolasi merupakan alat yang digunakan untuk memisahkan bagian-

bagian yang bertegangan atau bagian-bagian yang aktif. Bahan isolasi merupakan

suatu peralatan yang digunakan sebagai pembatas dan pengaman pada peralatan

listrik yang mempunyai kekuatan listrik yang cukup untuk menjamin sistem

keselamatan yang diperlukan pada saat peralatan listrik tersebut beroperasi

maupun tidak beroperasi. Bahan isolasi yang digunakan dalam teknik tegangan

tinggi dibedakan menjadi: bahan isolasi gas, bahan isolasi padat, bahan isolasi

cair. Pada dasarnya suatu bagian yang aktif peralatan listrik harus diisolasi

sehingga mempunyai sistem keamanan dan kenyamanan.

Ada 3 jenis bahan isolasi yaitu : gas, padat, cair. Berikut ini adalah

penjelasan dari ketiga jenis bahan isolasi tersebut.

2.1 Bahan Isolasi Gas

Bahan isolasi adalah digunakan sebagai pengisolasi dan sekaligus sebagai media

penyalur panas. Bahan gas yang biasa digunakan adalah udara dan sulfur

hexafluida (SF6).

1. Udara

Udara merupakan bahan isolasi yang mudah didapatkan, mempunyai

tegangan tembus yang cukup besar yaitu 30 kV/ cm. Contoh yang mudah

dijumpai antara lain : pada JTR, JTM, dan JTT antara hantara yang satu

dengan yang lain dipisahkan dengan udara

2. Sulphur Hexa Fluorida

4

Sulphur Hexa Fluorida (SF6) merupakan suatu gas bentukan antara unsur

sulphur dengan fluor dengan reaksi eksotermis :

S + 3 F2 ---------------- SF6 + 262 kilo kalori

2.2 Bahan Isolasi Cair

Bahan isolasi cair merupakan bahan pengisi pada beberapa peralatan

listrik. Bahan isolasi cair ini biasanya digunakan pada peralatan seperti

transformator, pemutus beban, rheostat. Bahan isolasi cair memiliki dua fungsi

yaitu sebagai pemisah antara bagian yang bertegangan atau pengisolasi dan juga

sebagai pendingin. Persyaratan agar bahan cair dapat digunakan sebagai bahan

isolasi adalah mempunyai tegangan tembus dan daya hantar panas yang tinggi.

Beberapa alasan digunakannya bahan isolasi cair adalah sebagai berikut:

1. Isolasi cair memiliki kerapatan 1000 kali atau lebih dibandingkan dengan

isolasi gas, sehingga memiliki kekuatan dielektrik yang lebih tinggi menurut

hukum Paschen.

2. Isolasi cair akan mengisi celah atau ruang yang akan diisolasi dan secara

serentak melalui proses konversi menghilangkan panas yang timbul akibat

rugi energi.

3. Isolasi cair cenderung dapat memperbaiki diri sendiri (self healing) jika

terjadi pelepasan muatan (discharge). Namun kekurangan utama isolasi cair

adalah mudah terkontaminasi

2.3 Bahan Isolasi Padat

Bahan isolasi padat adalah bahan isolasi yang berbentuk padat. Ada

beberapa jenis bahan isolasi padat seperti : kayu, kertas, mika, porselin, kaca,

sitol, dan lain-lain.

5

BAB III

METODELOGI

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian

Data kegagalan bahan isolasi ini diperoleh dari internet dan berbagai

literatur. Pembuatan tugas ini dilakukan di tempat tinggal saya yaitu di Jln. Dukuh

Sari Gg. Kaliasem no.5a, Sesetan Denpasar Bali. Waktu dari pencarian bahan

sampai pengerjaan dilakukan pada bulan April – Mei 2009.

3.2 Data

3.2.1 Sumber Data

Sumber data yang diperoleh dari berbagai buku literatur serta beberapa

dokumen dari internet dalam berbagai bentuk file yang membahas mengenai

peranan pendidikan TIK yang dapat diterapkan pada anak berkebutuhan khusus.

Data kemudian disusun dan diolah agar dapat dipakai sebagai suatu acuan di

dalam menyusun makalah ini.

3.2.2 Jenis Data

Data yang digunakan dalam menganalisis adalah data sekunder yang berasal

dari kajian pustaka dengan data-data sebagai berikut :

Bahan-bahan listrik untuk Politeknik

Oleh : Drs.Muhaimin

Dasar-dasar elektro teknik

Teknologi Material Isolasi

Oleh : DR.Ir. Salama Manjang

6

3.2.3 Metode Pengumpulan Data

Adapun metode pengumpulan data yang dipakai untuk menyusun karya

tulis ilmiah ini adalah Metode Studi Literatur, yaitu mengumpulkan data dari

buku-buku referensi, jurnal, modul-modul, internet serta literatur-literatur yang

relevan dengan objek permasalahan.

3.3 Alur Analisis

Adapun alur analisis dalam penyusunan makalah ini adalah sebagai berikut :

1. Pengumpulan literature yang berhubungan dengan bahan isolasi.

2. Mempelajari dan memahami apa saja yang mempengaruhi kegagalan bahan

isolasi.

3. Mencari gagasan-gagasan yang berhubungan dengan permasalahan yang

diangkat.

4. Membuat pembahasan mengenai gagasan yang diperoleh.

5. Pengambilan kesimpulan

7

BAB IV

PEMBAHASAN

4.1 Partial Discharge dan Kegagalan Bahan Isolasi

Partial discharge (peluahan parsial) adalah peristiwa pelepasan/loncatan

bunga api listrik yang terjadi pada suatu bagian isolasi (pada rongga dalam atau

pada permukaan) sebagai akibat adanya beda potensial yang tinggi dalam isolasi

tersebut. Partial discharge dapat terjadi pada bahan isolasi padat, bahan isolasi cair

maupun bahan isolasi gas. Mekanisme kegagalan pada bahan isolasi padat

meliputi kegagalan asasi (intrinsik), elektro mekanik, streamer, thermal dan

kegagalan erosi. Kegagalan pada bahan isolasi cair disebabkan oleh adanya

kavitasi, adanya butiran pada zat cair dan tercampurnya bahan isolasi cair. Pada

bahan isolasi gas mekanisme townsend dan mekanisme streamer merupakan

penyebab kegagalan. Dari uraian di atas menunjukkan bahwa kegagalan isolasi ini

berkaitan dengan adanya partial discharge.

Pengukuran partial discharge pada peralatan tegangan tinggi merupakan

hal yang sangat penting karena dari data data yang diperoleh dan interpretasinya

dapat ditentukan reability suatu peralatan yang disebabkan oleh penuaan (agging)

dan resiko kegagalan dapat dianalisa. Spesifikasi pengujian partial discharge

tergantung pada tipe peralatan tes dan bahan isolasi yang digunakan pada proses

konstruksi suatu peralatan.

Adanya partial discharge di dalam bahan isolasi dapat ditentukan dengan

tiga metode yaitu : dengan pengukuran tegangan pada objek, dengan pengukuran

arus di dalam rangkain luar dan mengukur intensitas radiasi gelombang

elektromagnetik yang disebabkan karena adanya partial discharge.

8

4.2 Mekanisme Kegagalan Bahan Isolasi Padat

Mempelajari kegagalan yang terjadi pada benda padat adalah sangat

penting. Pada benda padat, apabila terjadi kegagalan, maka ia adalah kegagalan

permanen, karena ia termasuk bahan yang non-self restoring. Sebaliknya untuk

benda cair dan gas, bila terjadi kegagalan maka kegagalan ini adalah kegagalan

yang sementara. Sesudah beberapa lama maka kekuatannya akan kembali lagi.

Bahan ini termasuk bahan yang self restoring. Beberapa kegagalan pada benda

padat dapat digolongkan seperti berikut :

a. Kegagalan Intrinsik (asasi) dan elektro mekanik

b. Kegagalan streamer

c. Kegagalan termal

d. Kegagalan erosi

Mekanisme kegagalan bahan isolasi padat terdiri dari beberapa jenis

sesuai fungsi waktu penerapan tegangannya. Hal ini dapat dilihat sebagai berikut :

Gambar 4.1 Grafik Kegagalan Isolasi

4.2.1 Kegagalan asasi (intrinsik)

Kegagalan asasi (intrinsik) adalah kegagalan yang disebabkan oleh jenis

dan suhu bahan ( dengan menghilangkan pengaruh luar seperti tekanan, bahan

elektroda, ketidakmurnian, kantong kantong udara. Kegagalan ini terjadi jika

tegangan yang dikenakan pada bahan dinaikkan sehingga tekanan listriknya

9

mencapai nilai tertentu yaitu 106 volt/cm dalam waktu yang sangat singkat yaitu

10-8 detik.

Kegagalan intrinsik terjadi jika diterapkan tegangan tinggi pada lapisan

dielektrik yang tipis. Hal ini terjadi pada waktu yang singkat dan disebabkan

karena medan listrik yang tinggi V/cm dimana elektron mendapatkan energi dari

tegangan luar sehingga melintasi celah yang terlarang (forbidden energy gap)

sampai kelapisan konduksi. Adapun sifat dari kegagalan ini adalah:

a. Terjadi pada suhu yang rendah, suhu kamar atau lebih rendah. Kekuatan

kegagalan tidak bergantung pada bentuk gelombang dari tegangan yang

diterapkan dan terjadi pada waktu yang singkat.

b. Kegagalan tergantung pada bentuk, besar dan spesimen dan bentuk dari

kegagalan.

4.2.2 Kegagalan elektromekanik

Kegagalan elektromekanik adalah kegagalan yang disebabkan oleh

adanya perbedaan polaritas antara elektroda yang mengapit zat isolasi padat

sehingga timbul tekanan listrik pada bahan tersebut. Tekanan listrik yang terjadi

menimbulkan tekanan mekanik yang menyebabkan timbulnya tarik menarik

antara kedua elektroda tersebut. Pada tegangan 106 volt/cm menimbulkan tekanan

mekanik 2 s.d 6 kg/cm2. Tekanan atau tarikan mekanis ini berupa gaya yang

bekerja pada zat padat berhubungan dengan Modulus Young

Dengan rumus Stark dan Garton

10

Jika kekuatan asasi (intrinsik) tidak tercapai pada maka zat isolasi akan

gagal bila tegangan V dinaikkan lagi. Jadi kekuatan listrik maksimumnya

adalah . Dimana :

F :gaya yang bekerja pada zat padat

D L: pertambahan panjang zat padat

L:panjang zat padat

A:pertambahan zat yang dikenai gaya

d0:tebal zat padat sebelum dikenai tegangan V

d:tebal setelah dikenai tegangan V dan e 0e r:permitivitas

4.2.3 Kegagalan streamer

Kegagalan streamer adalah kegagalan yang terjadi sesudah suatu banjiran

(avalance). Sebuah elektron yang memasuki band conduction di katoda akan

bergerak menuju anoda dibawah pengaruh medan memperoleh energi antara

benturan dan kehilangan energi pada waktu membentur. Jika lintasan bebas cukup

panjang maka tambahan energi yang diperoleh melebihi pengionisasi latis (latice).

Akibatnya dihasilkan tambahan elektron pada saat terjadi benturan. Jika suatu

tegangan V dikenakan terhadap elektroda bola, maka pada media yang berdekatan

(gas atau udara) timbul tegangan. Karena gas mempunyai permitivitas lebih

rendah dari zat padat sehingga gas akan mengalami tekanan listrik yang besar.

Akibatnya gas tersebut akan mengalami kegagalan sebelum zat padat mencapai

kekuatan asasinya. Karean kegagalan tersebut maka akan jatuh sebuah muatan

pada permukaan zat padat sehingga medan yang tadinya seragam akan terganggu.

Bentuk muatan pada ujung pelepasan ini dalam keadaan tertentu dapat

11

menimbulkan medan lokal yang cukup tinggi (sekitar 10 MV/cm). Karena medan

ini melebihi kekuatan intrinsik maka akan terjadi kegagalan pada zat padat. Proses

kegagalan ini terjadi sedikit demi sedikit yang dapat menyebabkan kegagalan

total.

4.2.4 Kegagalan termal

Kegagalan termal, adalah kegagalan yang terjadi jika kecepatan

pembangkitan panas di suatu titik dalam bahan melebihi laju kecepatan

pembuangan panas keluar. Akibatnya terjadi keadaan tidak stabil sehingga pada

suatu saat bahan mengalami kegagalan. Gambar kegagalan ini ditunjukkan seperti

:

Gambar 4.2 Kegagalan Termal

Dalam hukum konversi energi :

U0 = U1+U2, dimana

U0 :panas yang dibangkitkan

U1 :panas yang disalurkan keluar

U2 :panas yang menaikkan suhu bahan atau

12

dimana :

Cv : panas spesifik

k : konduktivitas termal

d : konduktivitas listrik

E: tekanan listrik.

Pada arus bolak balik terdapat hubungan langsung antara konduktivitas

dengan dengan frekuensi dan permitivitas yaitu :

s = w 1e 0 e r dan e r = e r' + j e r

"

dimana e 0 : konstanta dielektrik dan e r permitivitas relatif.

Karena adanya faktor ini, maka rugi rugi pada medan arus bolak balik

lebih besar dari arus searah. Akibatnya kuat gagal termal pada tegangfan AC lebih

kecil daripda kuat gagal termal medan arus DC. Kuat gagal termal untuk medan

bolak balik juga menurun dengan naiknya frekuensi tegangan.

4.2.5 Kegagalan Erosi

Pada pembuatan suatu isolasi dari kabel bawah tanah dan alat lainnya

kadang-kadang tidak sempurna, sehingga sering terdapat rongga dalam isolasi.

Rongga ini berisi udara atau benda lain, yang mempunyai kekuatan medan atau

kekuatan dielektrik yang berbeda dengan kekuatan dielektrik dari bahan isolasi.

Bila rongga berisi udara maka akan terdapat konsentrasi medan listrik. Karena itu,

pada nilai tegangan normal kekuatan medan pada rongga dapat bernilai melebihi

kekuatan kegagalan, sehingga dapat menyebabkan terjadinya kegagalan. Kekuatan

medan dalam reongga ditentukan oleh perbandingan dari permitivitas dan bentuk

rongga. Pada setiap pelepasan muatan terjadilah panas, dan lama kelamaan muka

dari rongga akan terjadi karbonisasi dan dapat merusak susunan kimia isolasi dan

terjadinya erosi

13

Kegagalan Erosi, adalah kegagalan yang disebabkan zat isolasi pada

tidak sempurna, karena adanya lubang lubang atau rongga dalam bahan isolasi

padat tersebut. Lubang/rongga akan terisi oleh gas atau cairan yang kekuatan

gagalnya lebih kecil dari kekuatan zat padat. Gambar kegagalan isolasi dan

rangkaian ekivalennya ditunjukkan oleh gambar dibawah ini:

Gambar 4.3 Kegagalan erosi dan rangkaian

Gambar 4.4 Bentuk Gelombang rongga isolasi ekivalen padat

Untuk t <<< d yang mecerminkan keadaan sebenarnya, bila rongga terisi gas,

maka tegangan pada C1 adalah V1= e r. t/dt Va

dimana :

C1 : Kapasitansi rongga yang tebalnya t

C2 :Kapasitansi rongga yang tebalnya d

14

V1 :Tegangan pada rongga

Va :Tegangan terminal

e r :Permitivitas relatif zat isolasi padat

Jika tegangan AC yang dikenakan tidak menghasilkan kegagalan, maka

bentuk gelombang yang terjadi pada rongga adalah V1, tetapi jika V1 cukup besar,

maka bisa terjadi kegagalan pada tegangan V1'. Pada saat terjadi lucutan dengan

tegangan V1' maka pada rongga tersebut terjadi busur api. Busur api yang terjadi

diiringi oleh jatuhnya tegangan sampai V1" dan mengalirnya arus. Busur api

kemudian padam. Tegangan pada rongga naik lagi sampai terjadi kegagalan

berikutnya pada tegangan V1'. Hal ini juga terjadi pada setengah gelombang

(negatif) berikutnya. Rongga akan melucut pada waktu tegangan rongga mencapai

-V1'. Pada waktu gas dala rongga gagal, permukaan zat isolasi padat merupakan

katoda - anodadengan bentuk yang ditunjukkan seperti berikut:

Gambar 4.5 Bentuk Gas dalam rongga saat mengalami kegagalan

Benturan elektron pada anoda mengakibatkan terlepasnya ikatan kimiawi

pada isolasi padat tersebut. Demikian pula pemboman katoda oleh ion ion positif

akan mengakibatkan kenaikan suhu yang menyebabkan ketidakstabilan termal,

sehingga dinding zat padat lama kelamaan menjadi rusak, rongga menjadi

semakin besar dan isolasi menjadi tipis. Hubungan antara tegangan lucutan dan

umur dinyatakan dengan dimana : Vi : tegangan dimana mulai terjadi

15

lucutan, Va : tegangan yang diterapkan n : nilai antara 3 dan 10 dan A adalah

konstanta.

4.2.6 Kegagalan Bahan Isolasi Padat Dalam Praktek

Terdapat beberapa jenis kegagalan yang tidak dapat dijelaskan baik dari

kegagalan intrinsik maupun pada kegagalan termal, tetapi dalam kenyataannya,

fenomena ini terjadi setelah tegangan operasi ditingkatkan dalam waktu yang

lama. Kegagalan ini, misalnya adanya penjejakan karbon (tracking) pada material

padat porselin, terutama pada keadaan kering yang menyebabkan terbentuknya

celah konduksi pada permukaan isolasi. Penjejakan ini berperan sebagai celah

konduksi pada permukaan isolator yang mendorong terjadinya kegagalan bertahap

di sepanjang permukaan isolator. Jenis kegagalan lainnya dalam kategori ini

adalah kegagalan elektron-kimia yang disebabkan oleh transformasi kimiawi,

seperti elektrolisis, pembentukan ozon, dan lain-lain. Tambahan pula, kegagalan

juga dapat terjadi dalam hal adanya pelepasan muatan sebagian (partial discharge)

yang terbentuk karena adanya kantong udara di dalam isolator padat tersebut.

Kegagalan jenis ini sangat penting diketahui, terutama panggunaan isolator kertas

yang digunakan pada kabel dan kapasitor tegangan tinggi.

4.2.6.1 Kegagalan Kimia Dan Elektro-kimia

Kehadiran udara dan gas lainnya menyebabkan bahan isolasi padat

mangalami perubahan struktur secara kimiawi yang dapat berlanjut pada tekanan

listrik secara terus menerus yang pada akhirnya menyebabkan kegagalan isolasi.

Beberapa reaksi kimia penting yang terjadi adalah :

a. Oksidasi : Kehadiran udara atau oksigen, pada material padat seperti karet

dan polyethilene mengalami oksidasi yang dapat meyebabkan keretakan pada

permukaan isolator.

16

b. Hidrolisis : Ketika uap air dan embun muncul di atas permukaan suatu

material padat, maka hidrolisis akan terjadi dan material tersebut dan

menyebabkan material akan kehilangan atau berkurang sifat listrik maupun

sifat mekanisnya. Hidrolisis biasanya terjadi pada material padat seperti

kertas, kain dan beberapa material seluler akan mengalami perubahan sifat

kimiawi yang sangat cepat. Perubahan kimia (hidrolisis) juga terjadi pada

material padat lainnya seperti plastik (polyethilene) yang menyebabkan

penurunan umur pakai dari material tersebut (aging).

c. Aksi Kimiawi. Meskipun tidak terdapat medan listrik yang tinggi, namun

peningkatan penurunan sifat kimia pada material isolasi dapat menyebabkan

terjadinya berbagai proses material isolasi dapat menyebabkan terjadinya

berbagai proses ketidakstabilan kimiawi karena adanya temperatur yang

tinggi, oksidasi maupun terbentuknya ozon. Meskipun material isolasi padat

digunakan pada berbagai kepentingan penggunaan dan kondisi yang berbeda,

reaksi kimia akan terjadi pada berbagai material yang dapat mandorong

terjadinya penurunan sifat listrik maupun sifat mekanis yang pada akhirnya

dapat menyebabkan terjadinya kegagalan isolasi.

Efek elektro-kimia dan penurunan sifat kimia material dapat diperkecil

dengan cara mengkaji lebih mendalam dan melakukan pengujian material secara

lebih berhati-hati. Isolatornya yang terbuat dari bahan glass (campuran sodium)

harus dihindarkan dari keadaan udara lembab dan basah, sebab sodium dapat

menyebabkan keadaan menjadi tidak stabil, sehingga soda yang dilepaskan ke

permukaan akan menimbulkan pembentukan suatu alkali kuat yang akan

menyebabkan penurunan sifat material secara menyeluruh.

4.2.6.2 Kegagalan Tracking Dan Treeing

Jika suatu bahan isolasi padat diterapkan tekanan listrik dalam jangka

waktu yang lama maka akan mengalami kegagalan. Secara umum, terdapat dua

gejala yang dapat diamati pada material tersebut, yaitu: (a) Adanya bagian

17

konduksi pada permukaan isolator. (b) Suatu mekanisme yang bekerja yang

menyebabkan arus bocor melalui bagian konduksi yang pada akhirnya mendorong

ke arah pembentukan suatu percikan (discharge). Percikan yang terjadi akan

menyebar selama proses penjejakan karbon (tracking) dan membentuk cabang-

cabang yang menyerupai pohon (pepohonan) yang dikenal dengan istilah

“treeting”.

Fenomena pepohonan listrik (treeing) dapat dijelaskan dengan

menggunakan sebuah spesimen (conducting film) yang diletakkan di antara dua

elektroda. Dalam prakteknya, spesimen tersebut diberikan suatu cairan pelembab

kemudian diterapkan tegangan, dan dalam waktu tertentu pada permukaan

spesimen akan mengalami kekeringan. Pada saat yang sama terjadi percikan yang

dapat menyebabkan kerusakan pada permukaan material. Pada material padat

seperti kertas, akan terbentuk karbonisasi di daerah terjadinya percikan api, dan

selanjutnya karbonisasi yang terbentuk akan bertindak sebagai saluran konduksi

permanen yang kemudiannya dapat meningkatkan tekanan yang berlebihan.

Proses ini adalah merupakan proses kumulatif, dan isolator mengalami kegagalan

akibat terjadinya jembatan karbon diantara elektroda. Fenomena ini dikenal

dengan istilah “tracking”.

Pada sisi yang lain, treeing terjadi karena erosi dari material pada ujung

percikan. Erosi mengakibatkan permukaan menjadi kasar, dan oleh sebab itu

dapat menjadi sumber pengotoran dan pencemaran. Kejadian ini akan

meningkatkan konduktivitas, dan pada sisi yang lain akan membentuk jembatan

antara bagian konduksi tadi dengan elektroda yang selanjutnya mengakibatkan

kegagalan mekanik (keretakan ) pada bahan isolator.

Umumnya, tracking terjadi pada tegangan yang rendah yaitu sekitar 100

V, sedang treeing terjadi pada tegangan tinggi. Treeing dapat dicegah melalui

usaha membersihkan permukaan material, menciptakan keadaan kering, dan pada

permukaan yang halus (yang tidak terjadi kekasaran permukaan). Oleh karena itu

pemilihan material harus didasarkan pada material yang mempunyai resistansi

yang tinggi terhadap fenomena “treeing”.

18

Gambar 4.6 Pepohonan (treeing) listrik di dalam isolasi polimer (a) Proses awal terbentunya

treeing, (b) Treeing menjembatangi kedua elektroda

4.3 Mekanisme Kegagalan Isolasi Zat Cair

Disini akan menjelaskan kegagalan isolasi pada benda cair. Diantara

teori yang dibahas adalah kemampuan konduksi dan peristiwa kegagalan benda

cair, mekanisme partikel yang melayang-layang, mekanisme gelumbung dan

kavitasi, mekanisme kegagalan termal, mekanisme volume yang tertekan,

konduksi karena adanya cairan lain, konduksi dan kegagalan cairan komersil.

Jika suatu tegangan dikenakan terhadap dua elektroda yang dicelupkan

kedalam cairan (isolasi) maka terlihat adanya konduksi arus yang kecil. Jika

tegangan dinaikkan secara kontinyu maka pada titik kritis tertentu akan terjadi

lucutan diantara kedua elektroda. Lucutan dalam zat cair ini akan terdiri dari

unsur-unsur sebagai berikut :

a. Aliran listrik yang besarnya ditentukan oleh karakteristik rangkaian

b. Lintasan cahaya yang cerah dari elektroda yang satu ke elektroda yang lain.

c. Terjadi gelembung gas dan butir butir zat padat hasil dekomposisi zat cair

d. Terjadi lubang pada elektroda

(a) (b)

19

4.3.1 Kemampuan Konduksi Dan Peristiwa Kegagalan Benda Cair

Pada kebanyakan jenis benda cair tingkat kemurniannya cair tidak begitu

tinggi kerena biasanya masih terdapat gelembung gas, partikel asing, dan lain-lain.

Hal ini tentu akan mengurangi ketahanan benda cair terhadap peristiwa kegagalan.

Macam mekanisme kegagalan juga dipengaruhi oleh keberadaan benda-benda

asing tersebut. Misalnya ketika terjadi kegagalan benda cair, gelembung gas yang

terdapat pada benda cair partikel-partikel benda padat saling membentuk formasi

yang baru. Lalu permukaan elektroda menjadi labil, kemudian akan terdengar

suara ledakan yang berasal dari pembangkitan tekanan impuls yang melewati

benda cair tersebut.

Mekanisme terjadinya kegagalan pada benda cair merupakan mekanisme

yang memerlukan suatu penyebab (tidak inpenden) seperti kondisi alami

elektroda, keadaan mengenai benda cair itu sendiri dan keberadaan benda-benda

asing (gelembung gas dan paritkel benda padat) di dalam benda cair. Beberapa

teori telah dirancang untuk menjelaskan mekanisme kegagalan pada benda cair.

Mekanisme tersebut dapat digolongkan menjadi tiga, yaitu :

a. Mekanisme partikel yang melayang

b. Mekanisme gelembung gas dan kavitasi

c. Mekanisme volume minyak yang tertekan

4.3.1.1 Mekanisme Partikel Yang Melayang

Pada kebanyakan jenis benda cair, kehadiran partikel yang melayang

pada benda cair tersebut tidak dapat dihindarkan. Ketidakmurnian ini hadir dalam

bentuk serat atau partikel benda padat. Nilai permivitas partikel melayang tersebut

(2) berbeda dengan nilai permivitas benda cair di luarnya (1) . Jika diasumsikan

bahwa partikel tersebut berbentuk bulat dangan jari-jari sebesar r, kuat medan

sebesar E, dan mengalami tekanan sebesar F, maka hal tersebut akan memenuhi

persamaan berikut.

20

21

123 2

)(

2

1

r

F grad E2

Apabila nilai > 1 ; misalnya pada benda cair terdapat partikel kertas,

maka arah tekanan F akan menuju area bertekanan maksimum. Sebaliknya jika

nilai 2 < 1; misalnya partikel melayang tersebut hanya berupa gelembung gas,

maka arah tekanan F akan menuju area bertekanan rendah. Lalu apabila tegangan

listrik disalurkan secara terus-menerus (DC) atau jika waktu tegangan listrik

disalurkan dalam durasi waktu yang lama (AC), maka tekanan F ini akan

mengarahkan partikel menuju area bertekanan maksimum.

Apabila jumlah partikel yang melayang sangat banyak, partikel-partikel

tersebut akan membentuk semacam jembatan yang menghubungkan kedua

elektroda, sehingga mengakibatkan terjadinya peristiwa kegagalan. Namun bila

hanya terdapat sebuah partikel, dia akan membuat perluasan area medan (local

field enhancement), yang luasnya ditentukan oleh bentuk partikel itu sendiri. Jika

perluasan area medan ini melebihi ketahanan benda cair, maka terjadilah peristiwa

kegagalan setempat (local breakdown), yaitu terjadi di dalam partikel asing

tersebut. Hal ini akan membuat terbentuknya gelembung-gelembung gas yang

pada akhirnya juga menyebabkan peristiwa kegagalan pada benda cair tersebut.

Dapat disimpulkan bahwa pada benda cair yang murni, nilai

ketahanannya dari peristiwa kegagalan pasti lebih besar bila dibandingkan dengan

nilai ketahanan pada benda cair yang tidak murni. Ketidakmurnian suatu jenis

benda cair akan menurunkan nilai ketahanannya dari peristiwa kegagalan.

Semakin besar ukuran partikel yang melayang dalam benda cair tersebut, semakin

besar pula penurunan kekuatan benda cair terhadap peristiwa kegagalan.

4.3.1.2 Mekanisme gelembung atau Kavitasi pada Zat Zair

Kegagalan gelembung atau kavitasi merupakan bentuk kegagalan isolasi

zat cair yang disebabkan oleh gelembung-gelembung gas didalamnya. Sebab

sebab timbulnya gelembung gas ( Kao dan Krasucki) adalah :

21

Permukaan elektroda tidak rata, sehingga terjadi kantong kantong udara

dipermukaannya

Adanya tabrakan elektron sehingga terjadi produk-produk baru berupa gas

Penguapan cairan karena adanya lucutan pada bagian bagian elektroda yang

tajam dan tidak teratur

Zat cair mengalami perubahan suhu dan tekanan

Medan listrik dalam gelembung gas yang ada dalam isolasi zat cair

dimana e 1 adalah permitivitas zat cair dan E0 adalah medan listrik dalam zat cair

tanpa gelombung.

Bila Eb sama dengan batas medan ionisasi gas, maka akan terjadi lucutan

pada gelombung. Hal ini akan mempercepat pembentukan gas karena

dekomposisi zat cair dan dapat mengakibatkan kegagalan isolasi. Bentuk

pengaruh medan terhadap gelembung udara ditunjukkan pada gambar 4.7.

Gambar 4.7 Pengaruh Medan terhadap gelembung udara

Karena pengaruh medan yang kuat diantara elekroda maka gelobung gelombung

udara dalam cairan tersebut akan berubah menjadi memanjang searah dengan

medan. gelembung gelembung tersebut akan saling sambung menyambung dan

22

membentuk jembatan yang akhirnya akan mengawali terjadinya kegagalan seperti

dalam gambar:

Gambar 4.8 Kekuatan gagal medan gelombung

Kekuatan gagal medan gelembung adalah :

dimana e 1 dan e 2 adalah permitivitas zat cair dan permitivitas gelembung , r jari

jari awal gelembung (dianggap bola), Vb jatuh tegangan dalam gelembung dan

adalah gaya tegang (tension) permukaan zat cair.

4.3.1.3 Mekanisme Kegagalan Termal

Sebuah mekanisme lain yaitu mekanisme kegagalan termal membahas

tentang peristiwa kegagalan pada saat pulse ‘ pulse condition’. Mekanisme ini

berdasarkan eksperimen yang menyelidiki arus yang sangat besar ini dipercaya

bersumber dari titik proyeksi mikroskopik yang terdapat pada permukaan katoda.

Kepadatan pada titik tersebut mencapai 1 A/cm3. Pulsa arus dengan kepadatan

yang demikian tinggi memanaskan sebagian minyak sehingga terbentuk

gelembung-gelembung penguapan. Gelembung-gelembung tersebut dapat

terbentuk jika besarnya energi mencapai 107 W/ cm3. Pada saat gelembung

terbentuk, maka peristiwa kegagalan akan mengikutinya. Peristiwa kegagalan ini

23

dapat disebabkan oleh perpanjangan ukuran gelembung, dan dapat juga

disebabkan oleh terbentuknya jembatan di antara elektroda. Kemudian yang

terjadi selanjutnya adalah terbentuknya lecutan listrik. Berdasarkan mekanisme ini

kekuatan peristiwa kegagalan dipengaruhi oleh tekanan dan struktur molekul

benda cair. Sebagai contoh, sesuai dengan penyelidikan pada n-alkana, kekuatan

peristiwa kegagalannya dipengaruhi oleh panjang rantai molekulnya. Teori ini

dapat berlaku untuk ruang celah yang amat pendek (< 100 mm), dan tidak dapat

menjelaskan mengenai penurunan kekuatan peristiwa kegagalan apabila panjang

ruang celah dinaikkan.

4.3.1.4 Mekanisme Volume Minyak Yang Tertekan

Pada kebanyakan jenis benda cair yang tingkat kemurniannya tidak telalu

tinggi, kekuatan peristiwa kegagalan ditentukan oleh ‘ nilai ketidakmurnian yang

terbesar yang tidak memungkinkan’ atau ‘rantai yang rapuh’. Dari data statistik

diperoleh informsi bahwa kekuatan peristiwa kegagalan pada suatu minyak terjadi

pada sebagian area minyak yang rapuh; yaitu area yang mengalami tekanan

maksimum oleh volume minyak, termasuk oleh volume minyak pada area itu

sendiri. Pada medan yang tidak ‘seragam’, nilai volume minyak yang tertekan

diambil dari nilai volume yang terkandung diantara kontur tekanan maksimum

Emas dengan kontur 0,9 Emax . Berdasarkan teori ini, kekuatan kegagalan

berbanding terbalik dengan nilai volume minyak yang mengalami tekanan.

Kekuatan peristiwa kegagalan pada suatu cairan minyak sangat

dipengaruhi oleh kadar gas didalamnya, faktor kekentalan minyak, dan kehadiran

partikel asing lainnya. Faktor-faktor ini dapat tersebar merata, meningkatnya

volume minyak yang mengalami tekanan akan mengakibatkan penurunan

tegangan penyebab kegagalan. Untuk mengetahui hubungan yang bervariasi

antara tegangan penyebab kegagalan dengan volume minyak yang tertekan dilihat

pada Gambar 4.9

24

Gambar 4.2

Gambar 4.9 Fungsi antara arus listrik bolak-balik berfrekuensi 50 Hz denganvolume

minyak yang mengalami tekanan

dengan kenaikan tegangan secara perlahan

x tegangan yang ditahan selama satu menit

4.3.2 Kegagalan Elektronik pada Zat Cair

Jika elektroda memiliki bagian permukaan tidak rata (ada yang runcing)

maka kuat medan yang terbesar terdapat pada bagian yang runcing tersebut. Kuat

maksimum ini akan mengeluarkan elektrone1 yang akan memulai terbentuknya

banjiran elektron. Elektron yang dihasilkan e1, e2, e3 dan en yang kemudian akan

menyebabkan timbulnya arus konduksi dalam zat cair pada kuat medan yang

tinggi. Arus yang timbul mempunyai kerapatan (Schottky) :

x

x

x

x

10 102 104 10510-2

0

100

200

300

400

Volume minyak yang mengalami tekanan (cc)

Teg

anga

n pe

ristiw

a ke

gaga

lan

(kV

/cm

)

25

dimana :

J : kerapatan arus konduksi

J1 : kerapatan arus termionik

Ea : kuat medan yang diterapkan

m : faktor ketidakrataan permukaan (=10 untuk permukaan halus)

Kondisi mulai terjadinya banjiran elektron, diperoleh dengan

menyamakan perolehsn energi oleh elektron yang menempuh lintasan rata-rata

yaitu U1 = F l = e E l , dengan energi untuk mengionisasi molekul U2 = C.h

dimana E : kuat medan yang diterapkan, l : lintasan bebas rata rata, h : catu

(kuantum) energi yang diperlukan untuk mengionisasikan molekul dan C :

konstanta.

4.3.3 Kegagalan Bola Cair dalam Zat Cair

Jika suatu zat isolasi cair mengandung sebuah bola cair atau jenis cairan

lain, maka dapat terjadi kegagalan akibat ketidakstabilan bola cair tersebut dalam

medan listrik. Bola cair yang dikenai medan E akan beruabah bentuk menjadi

sferoida seperti ditunjukkan dalam gambar berikut dengan medan di dalamnya

sebesar E2, maka hubungan antara kedua medan adalah

: dan

26

e 1 permitivitas zat cair isolasi dan e 2 adalah permitivitas zat cair

Gambar 4.10 Medan listrik bentuk sferoida

4.3.4 Kegagalan Butiran Padat dalam Zat Cair

Kegagalan ini disebabkan oleh adanya butiran (particle) didalam bahan

isolasi yang akan menyebabkan terjadinya kegagalan seperti yang ditunjukkan

dalam gambar di bawah.

Besarnya gaya yang bekerja pada butiran dalam medan tak homogen (Kok) :

dimana : R jari jari butiran dan E gradien tegangan

Gambar 4.11 Kegagalan butiran Padat

27

Jika e 2 > e 1, maka arah gaya yang bekerja pada butiran searah dengan

tekanan listrik maksmum (FA) sehingga gaya akan mendorong butiran ke arah

bagian yang kuat dari medan.

Jika e 2 < e 1, maka arah gaya berlawanan dengan tekanan listrik

maksimum (FB). Gaya F ini akan besar bila e 2 besar. Untuk butiran penghantar e 2

® ¥ sehingga F=1/2 R3 grad.E2.

Untuk medan yang seragam, medan poaling kuat ditempat yang seragam,

disini grad.E2=0. Oleh sebab itu butiran akan tertarik ke tempat dimana medannya

seragam. Akibatnya butiran akan sejajar diantara kedua elektroda dan seolah olah

membentuk jembatan yang mengawali terjadinya kegagalan isolasi. Adanya

butiran penghantar diantara elektroda akan mengakibatkan pembesaran medan

dalam zat cair didekat permukaan butiran. Pembesaran medan ini ditentukan oleh

bentuk butiran.

4.3.5 Kegagalan Campuran Zat Cair-Padat

Kegagalan isolasi cair-padat (isolasi kertas dicelup dalam minyak)

biasanya disebabkan oleh pemburukan. Pemburukan yang dapat menyebabkan

kegagalan isolasi cair-padat yaitu :

Pemburukan karena pelepasan dalam (internal discharge)

Pemburukan elektro-kimiawi

Jika campuran dielektrik zat cair-padat memiliki kekuatan gagal yang

berbeda beda maka jika tegangan listrik dinaikkan, akan terjadi kegagalan pada

zat yang paling lemah. Hal ini dapat mengakibatkan kegagalan parsial (partial

discharge). Pelepasan ini mengakibatkan pemburukan perlahan lahan karena :

1) Disintegrasi dielektrik padat yang diakibatkan pemboman oleh elektron dan

ion yang dihasilkan.

28

2) Aksi kimiawi pada dielektrik karena ionisasi gas

3) Suhu tinggi di daerah pelepasan.

Pemburukan elektro-kimiawi terjadi karena ion-ion yang dibebaskan oleh

arus pada elektroda bisa menyebabkan kerusakan. Derajat kerusakan yang terjadi

tergantung pada sifat ion yang terbawa dan reaksi kimia dengan ionisasi.

Kerusakan bisa terjadi pada tegangan DC maupun AC.

4.3.6 Pengamatan Kegagalan Di Dalam Minyak Pada Waktu Percobaan

Bila diamati, minyak akan mengalami kegagalan yang disebabkan oleh

beberapa hal :

Tegangan kegagalan dari minyak adalah sangat peka terhadap

kehadirannya lembab udara. Kekuatan dielektrik akan turun nilainya dari yang

paling tinggi 50 KV sampai 10 KV untuk jenis minyak transformator, bila

terdapat lembab didalamnya, sebesar 0.01 % (diuji dengan elektroda piring

dengan d = 2.5 cm dan jarak s = 2.5 mm).

Minyak transformator akan mengandung air yang berbusa (emulsified

water) bila dipanaskan diatas suhu udara disekitarnya dan menunjukkan kenaikan

kekuatan medan listrik bila air menjadi molekul dan tidak lagi mempengaruhi

harga dari kekuatan dielektrik.

Kegagalan dari minyak ini mula-mula mempunyai nilai yang rendah.

Tetapi breakdown ini menyebabkan pemecahan partikel yang besar menjadi

partikel yang kecil-kecil dan juga mungkin memecah gelembung yang ada dan

kemudian ditarik oleh elektroda yang ada dan ini menyebabkan tegangan

kegagalan akan mempunyai nilai bertambah. Peristiwa ini dinamakan

“conditioning”. Kemudian tegangan kegagalan akan mempunyai nilai yang baik

sampai datangnya benda lain atau sampai minyak ini tidak murni. Hal ini akan

mengurangi tegangan kegagalan lagi. Bila tegangan adalah tegangan impulse,

maka untuki menerangkan adanya kegagalan adalah dengan mekanisme

29

kegagalan karena adanya pemanasan. Mekanisme ini adalah berdasarkan

percobaan pengaliran arus listrik yang besar yang terjadi sesaat sebelum adanya

breakdown. Arus yang besar ini akan mendorong terjadinya gelembung gas yang

disebabkan pemanasan setempat.

Semua teori yang dibahas diatas adalah teori dimana besar sela udara

antara kedua elektroda itu tidak diperhitungkan. Didalam percobaan menunjukkan

bahwa kekuatan breakdown dari benda cair juga tergantung pada besarnya sela

udara. Ketergantungan ini dinyatakan seperti berikut ;

Vb = A dn

Dimana :

d = panjang sela elektroda.

A= suatu angka yang tetap

n = angka tetap, lebih kecil dari satu (1).

Tegangan breakdown juga tergantung pada macam dari tegangan, cara

dari ini diterapkan, dan lama waktu itu diterapkan.

4.3.7 Konduksi Dan Kegagalan Didalam Cairan Komersil

Cairan komersil adalah isolasi yang berupa cairan yang secara kimia

tidak murni. Ketidakmurniannya disebabkan adanya gelembung gas/udara,

partikel yang melayang dan lainnya. Ketidakmurnian ini menyebabkan

menurunnya kekuatan dari tegangan / kekuatan kegagalannya. Mekanisme dari

kegagalan dari cairan ini ternyata tergantung atas beberapa faktor, seperti bentuk

dan keadaan dari elektroda, sifat fisik dari cairan, ketidakmurnian dan kehadiran

gelembung gas.

30

4.4 Mekanisme Kegagalan Isolasi Gas

Proses 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

4.4.1 Mekanisme Kegagalan Townsend

Pada 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 dalam lapisan dx adalah dNe = a Ne.dx .

Ternyata jumlah elektron bebas dNe yang bertambah akibat proses ionisasi sama

besarnya dengan jumlah ion positif dN+ baru yang dihasilkan, sehingga dNe =

dN+ = a Ne.(t).dt; dimana :

a : koefisien ionisasi Townsend

dN+: junlah ion positif baru yang dihasilkan

Ne : jumlah total elektron

Vd : kecepatan luncur elektron

Pada medan uniform, a konstan, Ne = N0, x = 0 sehingga Ne = N0 e a x

Jum;lah elektron yang menumbuk anoda per detik sejauh d dari katoda sama

dengan jumlah ion positif yaitu N+ = N0 e a x

31

Jumlah 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 diikuti oleh

perubahan arus dengan cepat dimana karena e a d >> 1 maka À 0 e a d secara

teoritis menjadi tak terhingga, tetapi dalam praktek hal ini dibatasi oleh impedansi

rangkaian yang menunjukkan mulainya percikan.

4.4.2 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 elektron yang dihasilkan adalah a e a x dx

sehingga :

R adalah jari jari banjiran setelah menempuh jarak x, dengan rumus diffusi R=Ö

(2Dt).

32

Dimana t = x/V sehiungga dimana :

N : kerapatan ion per cm2, e : muatan elektron ( C ), e 0 : permitivitas ruang bebas,

R: jari jari (cm), V : kecepatan banjiran, dan D : koefisien diffusi.

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 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 4.12, 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

33

ini terjadi sangat cepat dan ruangan dengan arus positif akan ditambahkan pada

katoda dengan sangat cepat sebagai hasil dari pembentukan sebuah pita.

Gambar 4.12 Efek muatan ruang akibat banjiran elektron

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 4.13.

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.

34

Gambar 4.13 Streamer langsung katoda

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 :

cmVpx

xEr /

)/(

)exp(1027.5 7

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.

p

dIn

2

1

p

EIn5.14

pInd

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

35

bercabang. Banyak keraguan 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.

36

BAB V

PENUTUP

2.1 Simpulan

1. Partial discharge merupakan proses atau peristiwa pelepasan/loncatan

bunga api listrik yang terjadi pada suatu bagian bahan isolasi yang

disebabkan oleh adanya beda potensial yang tinggi dalam bahan isolasi.

2. Partial discharge dapat terjadi pada bahan isolasi padat, bahan isolasi cair

maupun bahan isolasi gas.

3. Kegagalan pada bahan isolasi padat meliputi : kegagalan intrinsik,

kegagalan elektromekanik, kegagalan streamer, kegagalan termal dan

kegagalan erosi.

4. Kegagalan pada bahan isolasi cair meliputi:

1. Kegagalan elektronik pada zat cair

2. Kegagalan gelembung (kavitasi) yang disebabkan oleh permukaan

elektroda yang tidak merata, adanya tabrakan elektron, penguapan

cairan dan akibat perubahan suhu dan tekanan

3. Kegagalan bola cair dalam zat cair

4. Kegagalan butiran padat dalam zat cair

5. Mekanisme kegagalan pada bahan isoalsi gas meliputi mekanisme

kegagalan Townsend dan mekanisme kegagalan streamer

2.2 Saran

Kita sebagai mahasiswa kuhususnya elektro harus menggunakan /

menerapkan bahan listrik sesuai fungsi dan tujuan yang telah ditetapkan.

Mengikuti prosedur / ketentuan pemakaian bahan sesuai dengan fungsi dan tujuan

yang telah ditetapkan, mengikuti aturan sesuai dengan SOP

37

DAFTAR PUSTAKA

Tadjuddin. 1998. Partial Discharge dan Kegagalan Bahan Isolasi, (online),

(http://elektroindonesia.com/elektro/energi13.html, diakses 23 April 2009).

Davit A.Nattrass. 1988.Partial Discharge Measurement and Interpretation,

IEEE Electrical Insulation Magazine vol. 4 No.13.