kuliah-4 kegagalan isolasi gas

8/10/2019 Kuliah-4 Kegagalan Isolasi Gas

1/32

KULIAH-4

KEGAGALAN ( RE KDOWN ) PADA

MATERIAL ISOLASI GAS


2/32

Udara dan gas adalah suatu dielektrik yangpaling mudah ditemukan, yang mana banyakdigunakan sebagai bahan untuk mengisolasiperalatan listrik tegangan tinggi. Gas-gas yang

biasa digunakan untuk mengisolasi adalahNitrogen (N 2), Karbondioksida (CO 2), Freon(CCI2F2) dan Sulfur Heksaflorida (SF 6). Isolasiberfungsi untuk memisahkan dua atau lebihpenghantar listrik yg bertegangan, sehinggaantara penghantar-penghantar tersebut tidakterjadi lompatan listrik (flashover) atau percikan(sparkover). Hanya gas SF6 yang masih terusdigunakan sejak 1960.


3/32


4/32

Udara ideal adalah gas yang hanya terdiridari molekul-molekul netral, sehinggatidak dapat mangalirkan arus listrik.Tetapi dalam kenyataannya, udara yangsesungguhnya tidak hanya terdiri darimolekul-molekul netral saja tetapi adasebagian kecil daripadanya berupa ion-ion dan elektron-elektron bebas, yangakan mengakibatkan udara dan gasmengalirkan arus walaupun terbatas.


5/32

Kegagalan listrik yang terjadi di udara ataugas, pertama-tama tergantung dari jumlahelektron bebas yang ada di udara atau gastsb. Proses dasar pelepasan dalam gas yangbertanggungjawab dalam terjadinyakegagalan adalah: Ionisasi karena benturanelektron, ionisasi karena cahaya(fotoionisasi), radiasi UV, Radiasi Kosmik,medan listrik, korona, ionisasi karenapanas, proses ionisasi kedua dan prosespenggabungan (rekombinasi).

PROSES DASAR IONISASI (lanjutan)


6/32

Mekanisme kegagalan gas, yang biasa disebut percikan ( spark ),

Percikan ( spark ) biasanya terjadi secara tiba-tiba. Sifat mendasar dari

kegagalan percikan ( spark breakdown ) adalah bahwa tegangan pada sela

jatuh menurun karena proses yang menghasilkan hantaran ( conductivity )

tinggi antara anoda dan katoda.

Pada saat ini dikenal dengan dua mekanisme kegagalan gas, yaitu :

1. Teori/mekanisme Townsend

2. Teori/mekanisme Streamer (Kanal).

Bermacam-macam kondisi fisik dalam gas seperti : tekanan, temperatur

(suhu), sifat dasar elektroda, permukaan alami elektroda dan tersedianya

partikel-partikel penghantar dianggap sebagai dasar yang menentukan

dalam terjadinya proses ionisasi.


7/32

Jika energi ( ) meningkat selama dalam pergerakan

tumbukan melebihi potensial ionisasi, (Vi), yang mana energihanya menghendaki untuk mengeluarkan elektron dari kulitatom, maka ionisasi dapat terjadi. Proses ini dapatdigambarkan sebagai :

e-

+ A e-

+ A+

e-

(1)

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

Pada proses ionisasi ini elektron yang bebas bertumbukandengan molekul gas netral dan mengakibatkan kenaikan

pada elektron baru dan ion positifProses dari pelepasan elektron dari molekul gas yangbersamaan dengan dihasilkannya ion positif merupakanbentuk dari ionisasi.


8/32

Gambar 1. Penetapan studi pelepasan

muatan Townsend


9/32

Fenomena penggabungan oleh karena radiasi

atau fotoionisasi melibatkan interaksi antarazat yang teradiasi.Proses radiasi yang dapat diserap oleh atom ataumolekul adalah :

1. Eksistansi atom yang menuju ke tingkatanenergi yang lebih besar.2. Penyerapan yang berlanjut oleh eksitasi

langsung pada atom atau disosiasi (pemisahandiri) pada molekul diatomik atau ionisasilangsung.


10/32

Proses bolak-balik terjadi pada saat atommenyerap radiasi. Proses ini dapat dituliskansebagai:hv + A A+

dan ionisasi terjadi pada saat : c.

H = konstanta Planck.C = kecepatan cahaya,

=panjang gelombang radiasiVi = energi ionisasi atom

Dimana V i dalam elektron volt (eV)


11/32

Pada prinsipnya proses ionisasi karena panas (termal) tidakberbeda dengan proses ionisasi karena benturan dan cahaya.Proses ini dituliskan sebagai :Ui (T) + A A+ + eDimana :Ui (T) = energi panasA = molekul atau atom gas mula-mulaA+ = molekul atau atom yang bebas 1 elektronnyae - = elektron yang dibebaskan oleh proses ionisasi

Pada umumnya istilah ionisasi termal mencakup hal-hal sbb :1. Ionisasi terjadi karena benturan antara molekul-molekul atau

atom gas yang bergerak dengan kecepatan tinggi akibat suhuyang tinggi.2. Ionisasi karena radiasi panas.

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

api bertekanan tinggi.


12/32

Proses ionisasi kedua dapat dijelaskanseperti berikut :1. Emisi/pemancaran elektron karena

dampak ion positif2. Emisi elektron karena foton3. Emisi elektron karena atom netral dan

metastabil


13/32

Tumbukan dimana elektron-elektron dapatbergabung ke dalam atom atau molekul danterbentuknya ion negatif disebut denganpenggabungan elektron.Proses penggabungan elektron bergantung pada energi elektrontersebut dan kealamian dari gas. Semua gas yang merupakanisolator listrik,Seperti: 0 2, CO 2 , Cl 2, F 2, C 3, F 8, C 4F10 , CCl 2F2, dan SF 6 karakteristik yang berbeda. Proses penggabungan elektron dapatdituliskan sebagai :

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

Proses penggabungan memainkan peranan sangat penting dlmpergerakan elektron-elektron bebas pada ionisasi gas ketika gangguan

pada busur, dan terjadi dlm pengisolasian gas di switchgear


14/32

Pada saat suatu elektron bertumbukkan dengan

partikel netral, ion positif dan elektron terbentuk, ( )dikenal sebagai jumlah elektron yang dihasilkan didalam jalur sebuah elektron yang bergerak sepanjang1 cm searah dengan medan bergantung padatekanan gas P dan E/P , yang dikenal sebagai Koefisien

kesatu ionisasi Townsend. Pada jarak dari katoda,maka jumlah elektron adalah n x.Dan ini bergerak menuju jarak yang lebih jauh, sehingga d x memberikan kenaikan elektron (n d ).

Untuk rata-rata arus dalam celah, jumlahnya sama denganelektron yang bergerak per detik, yaitu:

I = I 0 exp ( d )Dimana :

I 0 adalah arus awal di katoda


15/32

Pada jarak antara elektroda d yang semakin besar, angka

persamaan mendekati nol. Dan pada saat jarak kritis d = d, maka :1 [ exp ( d) 1 ] = 0

Untuk harga d < d s , I dianggap sama dengan I 0 dan jika sumbersupply eksternal I 0 dipindahkan, maka I akan menjadi nol. Jika d=ds,1 dan arus hanya dibatasi oleh tahanan dari power supplyrangkaian luar. Maka kondisi ini disebut mekanisme kegagalanTownsend. Mekanisme ini dapat dituliskan sebagai :

d = ds, I Umumnya, nilai exp( d) adalah besar dan karenanya persamaan diatas direduksi menjadi :

[ exp ( d) 1 ] = 1

Mekanisme Townsend menjelaskan tentang fenomena kegagalan yghanya terjadi pada tekanan yang rendah lebih tepatnya untuk P dan d(tekanan gas dan lebar celah), dan ini bernilai sebesar 1000 torr-cmke bawah.


16/32

Elektroda tegangan tinggi dihubungkandengan sumber tegangan tinggi D.Cyang memiliki besaran (antara 2 - 10kVA). Sedangkan elektroda teganganrendah terdiri atas sebuah elektrodapokok dan sebuah elektroda pelindung.Elektroda pokok dihubungkan dengantanah (ground) melalui tahanan tinggipada amplifier electrometer yangmemiliki input tahanan sebesar 10 9 sampai 10 13 ohms


17/32

Gambar 2 Pengaturan percobaan untuk pengukuran koefisien ionisasi dan (sumber:

M.S Naedu K. 1985)


18/32


19/32

salah satu proses yang berpengaruh besar dalamkegagalan dalam gas adalah penggabunganelektron, dimana elektron-elektron bebas dapatmelekat pada atom netral atau molekul dan akanmembentuk ion negatif. Karena ion negatif danion positif yang terlalu banyak jumlahnya karenabenturan/tumbukan, maka penggabungan dapatdiwakilkan oleh pergerakan efektif elektron yangakan menyebabkan kenaikan arus dan kegagalanterjadi pada tegangan yang rendah


20/32

Proses pertemuan dan penggabungan gas yang seringdijumpai adalah :1. Penggabungan secara langsung, dimana elektron

langsung dapat melekat dan membentuk ionnegatif.

2. Penggabungan secara disosiasi, dimana molekulgas terbagi dua kedalam unsur pokok atom-atomnya dan atom elektronegatif terbentukmenjadi ion negatif.

Proses ini dapat dituliskan sebagai :(a) Proses penggabungan langsung

AB + e AB(b) Proses penggabungan dengan disosiasi

AB + e A + B


21/32

Pada bagian sebelumnnya, mekanisme darikegagalan percikan dianggap sebagai fungsi dariproses ionisasi pada kondisi lapangan seragam.

Tapi pada prakteknya, breakdown yang terjadidisebabkan oleh berubahnya tegangan (teganganimpuls). Ada perbedaan waktu antara penerapandari tegangan yang cukup untuk menyebabkan

breakdown dan kemunculan breakdown itu sendiri.Perbedaan waktu ini disebut keterlambatan waktuatau time lag


22/32

Kegagalan pada bagian muka tegangan impuls(sumber : M.S. Neudu K. 1985)

t

Waktu

Tegangan yang jatuhVS

V

T e g a n g a n

V


23/32

Kurva karakteristik lecutan yang menggunakan tegangan impuls(sumber : M.S. Naedu K. , 1985 )

Waktu

Sikat

Transformator

Celah bulat T e g a n g a n

i m p u

l a s Celah batang


24/32

Teori Streameter ini memperkirakanperkembangan dari sebuah percikan yang

muncul langsung dari sebuah longsorantunggal dimana arus dikembangkan olehlongsoran tersebut, dan merubah bentuk darilongsoran menjadi pita plasma


25/32


26/32


27/32

Persamaan di bawah ini dikenal sebagai hukumPaschen:Breakdown dlm gas: [exp ( d) 1] = 1

dan


28/32

Tegangan breakdown minimum untukbermacam-macam gas tertera pada Tabel 1.

Tabel 1. Tegangan gagal berbagai gas

Gas Vs min (V)

pd at V s min (torr-cm)

Air

Argon

H2

Helium

CO 2

N2

N2O

O2

SO 2

H2S

327

137

273

156

420

251

418

450

457

414

0.567

0.9

1.15

4.0

0.51

0.67

0.5

0.7

0.33

0.6


29/32

Post breakdown phenomea adalah sebuahfenomena setelah kegagalan terjadi. Pada

post breakdown fenomena terdapat duabuah gejala, yaitu glow dan arc discharge

Fenomena yang terjadi pada daerah CGadalah post breakdown phenomena , yangterdiri dari glow discharge (CE) dan arcdischarge (EG).


30/32

gas dielektrik yang bagus untuk tegangantinggi, mempunyai karakteristik sebagaiberikut:

a) Kekuatan dielektrik yang tinggib) Kekuatan termal yang memadaic) Tidak mudah terbakard) Temperatur kondensasi yang rendahe) mempunyai sifat transfer panas yang bagusf) harganya relatif murah

Sulfur hexaflorida (SF6) adalah salah satu jenis gasyang dapat memenuhi kualifikasi diatas, dan telahdigunakan secara luas sebagai bahan isolator


31/32

Keadaan vakum adalah keadaan dimana

tekanan yang terjadi jauh dibawahtekanan atmosferproses kegagalan dalam Vaccum dapatdikelompokkan menjadi 3 bagian yaitua) Mekanisme pertukaran partikel ( particle

exchange mechanism )b) Mekanisme pemanasan anoda ( anode

heating mechanism )c) Teori Clump


32/32

M e k a n i s m e p ert u k a r a n p a r t i k elp a d a p e r i s t i w a k e g a g a l a n v a ku m

Mekanisme pemanasanmikroproyektil di permukaankatoda

kuliah-4 kegagalan isolasi gas

Documents