kegagalan elektrik pada isolasi gas

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas

I Made Yulistya N () Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas 1 / 23

Karakteristik Arus-Tegangan Stationer

B

UG

IGA

C

D E

F G

H

I

UD = Spark

100

500

1000

10-12

10-4

10-2

100

Tow

nse

nd

Ga

sam

plif

ica

tio

n

no

n-s

elf

su

sta

ine

d d

isch

arg

e

self

su

sta

ine

d d

isch

arg

e

Da

rk d

isch

arg

e

Lig

ht

act

ion

normally Glow discharge

(corona stabilization)

abno

rmal

glo

w d

isch

arge

Ligh

t arc

IGUGU

2 daerah besarNon-self sustained discharge Arus mengalir selama pembaea muatan terbentuk dalam

ruang gas karena pengaruh luar (mekanisme ionisasi)

Self sustained discharge Setelah penyalaan arus mengalir meskipun tanpa pengaruhluar. Proses ini bergantung pada jenis gas, tekanan gas, bentuk danbahan elektrode


Non-self sustained discharge

Daerah Ohm A-B

Pada daerah ohm, gas mempunyai karakteristik seperti tahanan, artinyakuat au meningkat secra linier dengan tegangan. Mekanisme ini hanyaberlaku untuk kuat medan yang relatif kecil, artinya selama konsentrasipembawa muatan dalam ruang medan tidak dipengaruhi oleh medan listrik

Daerah Jenuh B-C

Pada daerah ini semua pembawa muatan akan tersedot karena medanlistrik. Arus dibatasi oleh ion-ion yang terbentuk ruang medan persatuanwaktu.


Gas amplification B-C

Elektron-elektron dipercepat melalui kuat medan. Karenaelektron-elektron hanya kehilangan sedikit energi kinetik pada prosestumbukan dan melalui beberapa tumbukan Ekin > Ei , sehingga denganionisasi tumbukan pada gas akan terbentuk tambahan elektron-elektron.Gas amplification akan terjadi dan electron avalanche akan terbentuk.

N(x + ∆x) = N(x) + N(x) · α ·∆x


N(x + ∆x)− N(x)

∆x= N(x) · α

lim∆x→0

N(x + ∆x)− N(x)

∆x=

dN(x)

dx= N(x) · α

dN(x)

N(x)= α · dx

lnN(x) =

∫αdx

⇒ N = N0exp(∫

αdx)

Persamaan ini hanya berlaku unutk kasus tanpa muatan ruang. Untuk N> 106 proses pembangkitan pembawa muatan melambat karena awan ionpositif melemahkan medan luar sehinga menjadi lebih kecil.Pada gas elektronegatif berlaku N(x) = N0exp

∫(α− η)dx


Self sustained gas discharge D - I

Discharge dengan sendirinya berlangsung, jika melalui efek sekundermenghasilkan tambahan elektron awal.Koefisien Ionisasi Townsend kedua,

γ = γo + γ1 + γ2

γ0 = Pembebasan elektron dari katode karena ion positif

γ1 = Pembangkitan elektron pada ruang gas karena ion positif

γ2 = Pembebasan elektron dari katode karena sinar photon


Mekanisme Townsend

Townsend berlaku untuk avalanche gas amplification sampai N ≤ 108

1 Di depan katode terdapat N0 elektron awal2 Melalui pembentukan avalanche datang pada anode sebanyak

NA = N0 · eαd pembawa muatan3 Jumlah pasangan yang terbentuk dalam ruang gas:

NA − N0 = N0 · eαd − N0 = N0 · (eαd − 1)artinya akan terbentuk N0 · (eαd − 1) ion-ion positif

4 Ion-ion positif ini akan membangkitkan elektron awal baru generasi ke2 : γ · N0 · (eαd − 1)

5 Melalui pembentukan avalanche pada anode akan terbentuk:NA2 = γ · N0 · (eαd − 1) · eαd dan seterusnya.

6 Seluruh jumlah elektron yang terbentuk dari elektron awal N0

menjadi:

N = N0 · eαd + γ ·N0 · (eαd − 1) · eαd + γ2 ·N0 · (eαd − 1)2 · eαd + · · ·


Deret geometri ini konvergen pada

N = N0 ·eαd

1− γ(eαd − 1)untuk γ(eαd − 1) < 1

⇒ Syarat penyalaan Townsend:

γ(eαd − 1) ⇒ I →∞ ”D”

Discharge akan self-sustinained, jika elektron mula generasi ke 1 danavalanche yang terbentuk darinya meninggalkan elektron awal untukpembangkitan pembentukan avalanche generasi ke 2, dengan kata lainSetiap elektron awal harus diproduksi.Untuk gas-gas elektronegatif, syarat penyalaannya:

γ · αα− η

[e(α−η)d − 1

]= 1

Mekanisme Townsend selama N < 108 elektron/avalanche, karena untukavalanche elektron yang besar, muatan ruang positif akan mengganggumedan dan harus diperhitungkan


Untuk N > 108(, pd > 200 · · · 1000Torr .cm) berlaku mekanismestreamer.


Mekanisme Streamer

1 Townsend-avalanche bergerak kearah Anode, kecepatan mukaavalanche VL = VD kecepatan elektron.

2 Untuk N > 106 ⇒ Pembentukan muatan ruang3 Untuk N > 108 ⇒ distorsi medan E > E0,⇒ α > α0 di depan dan

belakang kepala avalanche.


Avalanche kedua di depan dan di belakang avalanche utama

Depan

Elektron awal yang terbentuk melalui photon berada pada situasi medanyang menguntungkan(E > E0) untuk memulai avalanche berikutnya, yangakan menginisiasi avalanche berikutnya ⇒ kecepatan tinggi perkembanganstreamer.

Ekor

Pada titik berat muatan ruang positif bergeraknya avalanche keduaterinisiasi melalui photonen ke arah katode, meninggalkan muatan ruangpositifnya sendiri dengan jarak yang makin berkurang didepan katode,karenanya maksimum ionisasi (muka avalanche) bergeser perlahan kearahkatode. Secara visual solah-olah ionisasi bergerak kearah katode, meskipunsebenarnya semua avalanche bergerak dari katode ke anode


Dengan bertemunya streamer pada katode akan terbentuk gelombangionisasi yang baru.Pada saat ini Streamer masih mempunyai tahanan yangtinggi sehingga tidak terjadi breakdown.

Katode Positif ion dari streamer katode yang bertemu dengan katodeakan menghasilkan elektron awal N0 dalam jumlah yangsangat banyak, sehingga gelombang ionisasi (paralelavalanche dalam jumlah besar) dengan arus tinggi dapatbergerak menuju anode

Anode Jika elektron-elektron terserap pada anode, muatan ruangpositif akan akan bertahan di depan Anode, sehingga anodeseolah-olah bergeser pada ruang medan.

Gelombang ionisasi akan bergerak ke anode dan katode dan memanaskankanal ⇒ Breakdown


Hukum Paschen

Paschen membuktikan secara ekperimental pada tahun 1889, bahwapada medan homogen tegangan jatuh (breakdown voltage) hanyatergantung pada tekanan dikalikan dengan jarak (p · d)

Breakdown tidak mungkin terjadi dibawah Vbmin

pd > pdmin elektron menyebrangi sela, mambuat banyak tumbukandengan molekul gas dari pada pdmin, tapi energi yang penambahanenerginya lebih rendah. d besar→ E menjadi lebih kecil (α lebih kecil)


p besar → α kecilpd < pdmin elektron menyebrangi gap tanpa membuat banyaktumbukan. d makin kecil → elektron menghilang pada elektrodesebelum besar avalanche kritis terbentuk. p makin kecil → jalur bebasrata-ratanya terlalu besar.Pada titik pdmin efisiensi ionisasi paling besar.

Perumusan secara analitis untuk pdmin dan Vbmin:

(pd)min =e

Aln(

1 +1

γ

)Vbmin = 2.718

B

Aln(1

γ+ 1)

Secara parktis, dengan memasukkan nilai A = 12, B = 365 dan γ = 0.02diperoleh


Table: Spark minimum untuk berbagai jenis gas

Gas pdmin torr cm Vbminvolts

Air 0.55 352Nitrogen 0.65 240Hydrogen 1.05 230

Oxyen 0.7 450SF6 0.26 507CO2 0.57 420Neon 4.0 245

Helium 4.0 155

Nilai-nilai ini juga tergantung dari nilai fungsi kerja (work function) darimaterial elektrodeSchumann, menyatakan breakdown voltage dengan persamaan:

Vb =E

ppd +

√K

C

√pd


Dengan memasukkan nilai konstanta E dan Kc yang dihitung oleh Sohst

dan Schroeder untuk medan homogen pada p = 1, bar ; 20 ◦C;E = 24.36(kV /cm); (K/C )− 45.16(kV 2)/cm, sehingga persamaan diatasmenjadi:

Vb = 24.36(pd) + 6.72√

pd kV


Breakdown pada medan non-uniform

Pada medan homogen atau tingkat ketidakhomogenannya rendah,streamer breakdown terjadi tanpa Partial Discharge. Pada medantidak homogen, setelah tercapainya streamer kriteria akan terjadipre-discharge, yang dibatasi pada daerah dengan meda listrik yangtinggi. Jika tegangan dinaikkan maka partial dischrage akanberkembang menjadi breakdown. Pada medan tidak homogen efekpolaritas harus diperhatikan.

Kondisi untuk breakdown (atau Inception of Discharge (awalterjadinya discharge)) secara umum adalah:

exp

∫ xc<d

0αdx = Ncr

Ncr adalah konsentrasi elektron kritis pada avalanche yangmemberikan peningkatan inisiasi streamer (108); xc jalur avalancheuntuk mencapai jarak ini ; d adalah jarak sela


Persamaan diatas dapat ditulis:∫ xc d

0αdx = ln Ncr ≈ 18− 20

Pada susunan leektrode yang sangat tidak homogen, dengan peningkatantegangan akan terjadi discharge berikut:

CoronaStreamerLeaderBreakdownI Made Yulistya N () Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas 18 / 23

Corona Discharge

Pada medan tidak uniform manifestasi discharge berupa emisi cahaya dansuara dapat diamati sebleum terjadinya breakdown. Corona dalambeberapa aplikasi sanga diperlukan seperti: high speed printing devices,electrostatic precipitators, paint sprayer dll. Di sisi lain corona in sangattidak menguntungkan seperti dapat menyebabkan interferensi pada sistemkomunikasi, rugi-rugi daya pada saluran transmisi, rusaknya kualitas isolasidll.Corona mempunyai fenomena yang berbeda antara corona positif dancorona negatif. Positif corona timbul dalam bentuk ”bluish-white sheath”diseluruh permukaan dari kawat. Pada kawat negatif, corona munculsebagai ”reddish glowing spots” yang terdistribusi sepanjang kawat.


Negative Point to Plane Corona Discharge

PrinsipElektron awal melalui mekanisme Townsend membentuk elektronavalanche tepat di depan point. Jika avalanche head melewatipanjang kritis, xk , maka medan listrik akan terlalu kecil danperkembangan avalanche akan terhenti (η > α⇒ αeff < 0). Ionpositif telah membentuk elektron awal baru melalui emisi elektronsekunder dan mementuk avalanche pada sisinya. Elektron-elektronakan terakumulasi diluar daerah medan tinggi (x > xk ) dan menjadiion negatif yang raltif tidak bergerak. Awan ion negatif mengurangikua medan di depan negtif point dan menghentikan discharge.Muatan ruang negatif bergerak secara perlahan ke anode. Setelahperjalanan ini karakteristik medan awal akan terbentuk kembali dandischarge baru akan dimulai dari awal. Pengulangan sifat gelombangcorona ini atau gelombang impuls ini memiliki waktu ke puncakbeberapa ns dan frekuensi pengulangannya sekitar 100 kHz sampaiMHz.I Made Yulistya N () Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas 20 / 23

Gelombang pulsa beraturan ini disebut ”Trichel Pulses”

Figure: Negative point-plane breakdown and corona characteristics inatmospheric air (a) discharge mode, (b) pulse pattern


Positive Point to Plane Corona Discharge

Sama seperti negatif corona discharge. Di depan point electrodeelektron awal yang terbentuk bergerak menuju point elektrode dalambentuk avalanche dan meninggalkan muatan ruang positif. Jikamuatan ruang positif ini cukup besar, discharge akan terhenti.Setelah ion-ion ini bergerak dan medan kembali seperti semula makaproses discharge ini akan berulang.

Figure: Threshold curves for various modes of positive point-plane corona


kegagalan elektrik pada isolasi gas

Documents