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:
Posting Komentar