MAKALAH KEGAGALAN PADA BAHAN DIELEKTRIK “ (CAIR, PADAT, GAS, DAN CAIR DAN PADAT) ”



BAB II
PEMBAHASAN

Dielektrik Padat dan Proses Kegagalannya
     Atom-atom yang menyusun zat padat terikat kuat satu sama lain. Keistimewaan yang paling menyolok dari kebanyakan zat padat adalah atom-atomnya (atau grup-grup atom) yang tersusun oleh sebuah derajat tinggi dari urutan pola yang berulang-ulang yang teratur dalam tiga dimensi yang disebut kristalin. Zat padat yang atom-atomnya disusun dalam sebuah model yang tidak beraturan disebut non-kristalin atau tak berbentuk. Oleh karena sebagian besar dari sistem pengisolasian komersial adalah zat padat, studi kegagalan dielektrik padat menjadi sangat penting pada studi isolasi.
     Penerapan medan elektrik yang tinggi pada material dielektrik padat dapat menyebabkan gerakan pembawa muatan bebas, injeksi muatan dari elektroda-elektroda, penggandaan muatan, formasi ruang muatan dan disipasi energi dalam material. Oleh karena kondisi-kondisi tersebut, yang dapat terjadi secara tunggal atau kombinasi, maka akhirnya mengacu pada material mengalami kegagalan elektris yang disebut juga breakdown.
     Pada prinsipnya dan dalam kondisi percobaan tertentu, mekanisme kegagalan dalam zat padat sama dengan proses yang terjadi pada gas dan udara. Perbedaannya, kegagalan dalam zat padat sedikit lebih rumit, karena ada mekanisme kegagalan yang tidak dijumpai pada kegagalan gas. Nilai suatu zat padat tergantung dari cara dan kondisi pengukuran.
     Mekanisme kegagalan pada zat padat merupakan mekanisme yang rumit dan tergantung pada lama diterapkannya tegangan pada material dielektrik tersebut seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2. Mekanisme tersebut adalah sebagai berikut :
1.      kegagalan asasi (intrinsik)
2.      kegagalan elektromekanik
3.      kegagalan streamer
4.      kegagalan termal
5.      kegagalan erosi

Gambar 2.2 

Variasi tegangan tembus dan mekanisme kegagalan dengan waktu penerapan tegangan
Kegagalan Asasi (Intrinsik)
            Kegagalan asasi atau kegagalan intrinsik adalah kegagalan yang berasal dari atau disebabkan oleh jenis dan suhu bahan, dengan mengabaikan pengaruh faktor-faktor luar seperti tekanan, bahan elektroda, ketidakmurnian, kantong-kantong udara. Kegagalan ini terjadi jika tegangan yang diterapkan pada bahan dinaikkan sehingga tekanan listriknya mencapai nilai tertentu, yaitu 106 Volt/cm dalam waktu yang sangat singkat (10-8 detik). Kegagalan intrinsik ini merupakan bentuk kegagalan yang paling sederhana.
Kegagalan Elektromekanik
            Kegagalan elektromekanik terjadi disebabkan oleh adanya perbedaan polaritas antara elektroda yang mengapit isolasi padat. Jika pada isolasi padat tersebut diberikan tegangan dengan polaritas yang berbeda, maka akan timbul tekanan (stress) listrik pada bahan tersebut yang dilanjutkan dengan timbulnya tekanan (pressure) mekanis. Tekanan mekanis ini terjadi akibat gaya tarik menarik F antar kedua elektroda tersebut seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3 untuk tekanan listrik sebesar 106 Volt/cm dan akan dihasilkan tekanan mekanis sebesar 2-6 kg/cm2.
Gambar 2.3

Kegagalan Streamer             
            Jika diterapkan tegangan V pada zat padat yang terapit oleh elektroda bola-bidang, maka pada medium yang berdekatan, misalnya gas atau udara, akan timbul tegangan. Gas yang mempunyai permitivitas yang lebih rendah dari zat padat akan mengalami tekanan listrik yang besar. Akibatnya, gas atau udara tersebut akan mencapai kekuatan asasinya. Karena kegagalan tersebut maka akan jatuh sebuah muatan pada permukaan zat padat, sehingga medan yang tadinya seragam akan terganggu. Konsentrasi muatan pada ujung pelepasan ini dalam keadaan tertentu mengakibatkan timbulnya medan lokal yang cukup tinggi (sekitar 10 MV/cm). Karena medan ini lebih besar dari kekuatan intrinsik, maka akan terjadi kegagalan pada zat padat tersebut. Proses kegagalan pada zat padat ini terjadi sedikit demi sedikit sehingga akhirnya zat padat gagal seluruhnya.
Kegagalan Termal
            Bila suatu medan diterapkan dalam suatu zat padat pada suhu normal, maka arus konduksi akan terjadi dalam bahan pada umumnya kecil. Dalam hal ini tidak akan terjadi apa dalam zat padat, walaupun E sudah cukup besar. Panas yang dibangkitkan oleh arus sebagian akan disalurkan keluar dan sebagian akan digunakan untuk menaikkan suhu badan. Tetapi, jika kecepatan pembangkitan panas di suatu titik dalam bahan melebihi laju pembuangan panas keluar, maka akan terjadi keadaan yang tidak stabil dan pada suatu saat bahan akan mengalami kegagalan. Kegagalan ini disebut kegagalan termal.
Kegagalan Erosi
            Terjadinya kegagalan erosi disebabkan oleh keadaan zat isolasi padat yang tidak sempurna. Ketidaksempurnaan tersebut misalnya berupa lubang-lubang atau rongga-rongga dalam bahan isolasi tersebut (Gambar 2.4), sehingga akan terisi oleh gas atau cairan yang kekuatan gagalnya lebih rendah daripada di dalam zat padat. Di samping itu, konstanta dielektrik di dalam rongga sering lebih rendah daripada dalam zat padat sehingga intensitas medan dalam rongga lebih besar daripada intensitas dalam zat padat. Oleh karena itu, mungkin saja akan terjadi  tegangan kegagalan di dalam rongga tersebut, meskipun pada waktu itu diterapkan tegangan kerja normal pada zat padat.
Gambar 2.4
            Pada waktu gas dalam rongga gagal, permukaan zat isolasi padat merupakan katoda anoda. Benturan-benturan elektron pada anoda akan mengakibatkan terlepasnya ikatan kimiawi zat padat. Demikian pula, pemboman katoda oleh ion-ion positif akan mengakibatkan rusaknya zat isolasi padat karena kenaikan suhu, yang kemudian mengakibatkan ketakstabilan termal. Keadaan ini menyebabkan dinding zat padat lama kelamaan rusak, rongga menjadi makin besar dan zat padat bertambah tipis. Proses ini disebut erosi dan kegagalan yang diakibatkannya disebut kegagalan erosi.
Teori Kegagalan Dielektrik Cair
Teori kegagalan isolasi yang terjadi pada minyak transformator dibagi menjadi empat jenis sebagai berikut:
1.                  Teori kegagalan elektronik
Teori ini merupakan perluasan dari teori kegagalanpada gas, artinya proses kegagalan yang terjadi dalam dielektrik cair karena adanya banjiran elektron (electron avalanche) pada gas. Pancaran medan elektron dari katoda di asumsikan bertabrakan dengan atom dielektrik cair. Jika energi medan yang dihasilkan dari tabrakan sudah cukup besar, sebagian elektron akan terlepas dari atom dan akan bergerak menuju anoda bersama dengan elektron bebas. Banjiran elektron ini serupa dengan peluahan yang terjadi pada gas dan peristiwa ini akan mengawali proses terjadinya kegagalan.
2.                  Teori kegagalan karena adanya gelembung gas
Yaitu ketakmurnian (misalnya gelembung udara) mempunyai tegangan gagal yang lebih rendah dari zat cair, disini adanya gelembung udara dalam cairan merupakan awal dari pencetus kegagalan total dari pada zat cair. Kegagalan gelembung merupakan bentuk kegagalan isolasi cair yang disebabkan oleh gelembunggelembung gas didalamnya.
3. Teori kegagalan partikel padat
Partikel debu atau serat selulosa yang ada disekeliling isolasi padat (kertas) seringkali ikut tercampur dengan minyak. Selain itu partikel padat ini pun dapat terbentuk ketika terjadi pemanasan dan tegangan lebih. Pada saat terjadi medan listrik, partikel – partikel ini akan terpolarisasi dan membentuk jembatan. Arus akan mengalir melalui jembatan dan menghasilkan pemanasan local serta menyebabkan terjadinya kegagalan.
4. Teori kegagalan bola cair
Air dan uap air terdapat pada minyak, terutama pada minyak yang telah lama digunakan. Jika terdapat medan listrik, maka molekul uap air yang terlarut memisah dari minyak dan terpolarisasi membentuk suatu dipole. Jika jumlah molekul molekul uap air ini banyak, maka akan tersusun semacam jembatan yang menghubungkan kedua elektroda, sehingga terbentuk suatu kanal peluahan. Kanal ini akan merambat dan memanjang sampai terjadi tembus listrik.



BAB III
PENUTUP
A.     Kesimpulan

Tidak ada komentar:

Poskan Komentar