Pengaruh Pelapisan Dielektrik Minyak Pada Dielektrik Plastik
Terhadap Tegangan Tembus AC
(Aplikasi Pada Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi Fakultas Teknik USU)
OLEH
NAMA : RUSDIN KACARIBU NIM : 010402011
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
Pengaruh Pelapisan Dielektrik Minyak Pada Dielektrik Plastik
Terhadap Tegangan Tembus AC
(Aplikasi Pada Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi Fakultas Teknik USU) OLEH
NAMA : RUSDIN KACARIBU NIM : 010402011
Tugas Akhir ini Diajukan Untuk Melengkapi Salah Satu Syarat Untuk
Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
pada
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
Sidang pada tanggal 25 bulan 8 tahun 2007 di depan Penguji:
1. Ir. Hendra Zulkarnaen : Ketua Penguji
2. Ir. Bonggas L. Tobing : Anggota Penguji
3. Ir. Surya T. Kasim, M.Si : Anggota Penguji
Disetujui oleh: Pembimbing Tugas Akhir,
NIP:131273469 ( Ir. Syahrawardi )
Diketahui oleh:
Ketua Departemen Teknik Elektro,
ABSTRAK
Elekroda maupun dielektrik padat yang terlihat datar sesungguhnya memiliki permukaan yang tidak rata. Bila elektroda dan dielektrik disusun, maka diantara keduanya terdapat celah kosong yang seandainya celah kosong ini dibiarkan maka akan diisi oleh udara. Udara yang mengisi celah relatif lebih mudah mengalami ionisasi yang berujung erosi pada dielektrik dan mengurangi umur dielektrik padat tersebut.
Bila pada celah kosong tersebut udara digantikan oleh dielektrik minyak, maka ionisasi akan lama terjadi dan erosi pada dielektrik padat sulit terjadi sehingga tegangan tembusnya menjadi lebih besar dan umur dielektrik padat tersebut menjadi lebih lama.
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, segala puji hanya milik Allah Zat Maha Agung Yang
memberikan hidayah, innayah, pertolongan sekaligus kepercayaan kepada penulis
untuk menjalani dan menyelesaikan studi S1 di Departemen Teknik Elektro Fakultas
Teknik USU. Sholawat sekalian salam senantiasa terucap untuk baginda Rasulullah
Muhammad SAW.
Adapun penulisan Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat bagi penulis
untuk memperoleh Gelar Sarjana Teknik dari Departemen Elektro Fakultas Teknik
USU. Di dalam Tugas Akhir ini penulis ingin memperlihatkan perbedan daya tahan
pelastik sebelum dengan sesudah diberi minyak.
Dalam perjalan penulisan Tugas Akhir ini, penulis sangat terbantu melewati
berbagai masalah sehingga tugas akhir ini dapat selesai. Untuk itu dengan ketulusan
dan kerendaham hati, penulis menghaturkan terima kasih kepada :
1. Bapak dan Mamak yang tercinta di rumah. Atas nasehat, kesabaran dan kerelaan
hati berjuang dan membimbing anak ini hingga akhir perjalanan. Semoga amal
yang dilakukan mendatangkan kebaikan terus-menerus tanpa putus.
2. Kakakku Lidya Wati Kacaribu, ST. Sunarti Kacaribu, AMAK. Dan abangku dr.
Kamalluddin Kacaribu. Semoga ‘jundi’ kalian lebih hebat dari orang tuanya, serta
adikku Subur Jaya Kacaribu. Kalian semua telah menjadi semangat dalam diri ini.
3. Bapak Prof. DR. Ir. Usman Baafai selaku Ketua Departemen Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Drs. Hasdari Helmi, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
6. Bapak Ir. Bonggas L. Tobing, selaku Dosen Wali penulis, yang memberikan
nasehat dan bimbingan selama perkuliahan.
7. Seluruh Bapak dan Ibu dosen, selaku staf pengajar Departemen Teknik Elektro,
Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara yang telah mendidik penulis menuju
jenjang Sarjana.
8. Kepada teman-teman kampusku : Zulfadli, Dancoxs, Mantox, Effendi Karo-karo
dan seluruh anak 2001. Kalian banyak sekali memberi pelajaran baru.
9. Kepada teman-temanku di KAMMI. Ikhwan dan Akhwat fillah, Jazakumullah
khoiron jaza. Semoga kita bertemu dalam keadaan yang jauh lebih baik lagi dari
hari ini. Temen-temen LQ. Nurcholis, aku akan menyusulmu. Mukhlis, terus
jalankan KreatifBah yang dulu kita dirikan, Bustamin, Farhan, tetaplah istiqomah.
Pak Agus, terimakasih telah membimbing kami.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini belum begitu sempurna karena
masih banyak lagi kekurangan baik dari isi maupun tata bahasanya. Oleh karena itu
penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun guna pengembangan
dan penyempurnaan Tugas Akhir ini.
Akhir kata, penulis berharap Tugas Akhir ini dapat bermanfaat dan
memberikan inspirasi dalam ilmu pengetahuan bagi semua pihak.
Medan, Juli 2007
Penulis
Daftar Isi
Abstrak ………. i
Kata Pengantar ……….………... ii
Daftar isi ..….. ……….... iv
Daftar Gambar ……….... viii
Daftar Tabel ……….……….. x
BAB I Pendahuluan ………....……….…... 1
I.1. Latar Belakang ……….. 1
I.2. Tujuan dan Manfaat Penulisan ………...………... 2
I.3. Batasan Masalah ……… 2
I.4. Metode Penulisan ………...………… 3
I.5. Sistematika Penulisan ………. 3
BAB II DIELEKTRIK ……….……… 5
II.1. Pengertian Dielektrik ……….……… 5
II.2. Jenis-jenis Dielektrik ………. 6
II.3. Rangkaian Ekivalen Dielektrik ………. 8
II.4. Karakteristik Dielektrik ………. 10
II.4.1. Kekuatan Dielektrik ……… 10
II.4.2. Konduktansi ……… 11
II.4.3. Rugi-rugi Dielektrik ……… 12
II.4.4. Peluahan Parsial (Partial Discharge) ………... 13
II.4.6. Kekuatan Kerak Isolasi ……….. 17
II.5. Penggunaan Dielektrik ………...…………... 18
II.5.1. Penggunaan Pada Transformator Daya ……….. 18
II.5.2. Penggunaan Pada Mesin Berputar ………. 19
II.5.3. Penggunaan Pada Circuit Breaker ……….. 19
II.5.4. Penggunaan Pada Kabel ………. 20
II.5.5. Penggunaan Pada Kapasitor Daya ……….. 22
II.5.6. Penggunaan Pada Peralatan Elektronik ……….………. 24
BAB III TEORI TEMBUS LISTRIK PADA DIELEKTRIK ………. 25
III.1. Pengertian Tegangan Tembus Listrik ……….……….……… 25
III.2. Tegangan Tembus Listrik Pada Dielektrik Gas ………... 26
III.2.1. Teori Townsend ………..………..…... 26
III.2.2. Teori Streamer ……….…… 29
III. 2.2.a. Teori Streamer Positif ……….…...…. 29
III.2.2.b. Teori Streamer Negatif ……… 31
III.2.3. Hukum Paschen ………... 32
III.3. Tegangan Tembus Pada Dielektrik Cair ………...……….. 32
III.3.1. Teori Kegagalan Dielektrik Cair Murni ………..……. 33
III.3.2. Teori Kegagalan Gelembung Gas ………...…… 34
III.3.3. Teori Kegagalan Butiran Padat ………...……… 35
III.3.4. Teori Kegagalan Bola Cair ……… 37
III.4. Tegangan Tembus Listrik Pada Dielektrik Padat ……… 38
III.4.1. Kegagalan Asasi ….……….. 39
III.4.3. Kegagalan Streamer ………...………… 40
III.4.4. Kegagalan Termal ………...………… 40
III.4.5. Kegagalan Erosi ………..………. 40
BAB IV PENGARUHPELAPISAN DIELEKTRIK MINYAK PADA DIELEKTRIK PLASTIK TERHADAP TEGANGAN TEMBUS AC……….………. 41
IV.1. Umum ……….. 41
IV.2. Peralatan Yang Digunakan ……….……….. 41
IV.3. Rangkaian Percobaan ………...……….…... 42
IV.4. Prosedur Percobaan ... 43
IV.4.1. Prosedur Percobaan Tegangan Tembus Pada Plastik ... 43
IV.4.2. Prosedur Percobaan Waktu Tembus Listrik Pada Plastik 45 IV.5. Data Percobaan ... 47
IV.5.1. Data Percobaan Tegangan Tembus Listrik Pada Plastik .. 47
IV.5.2. Data Percobaan Waktu Tembus Listrik Pada Plastik ….. 48
IV.6. Analisa Data ... 49
IV.6.1. Analisa Data Tegangan Tembus listrik Pada Plastik ….. 49
IV.6.2. Analisa Data Waktu Tembus Listrik Pada Plastik …..… 51
IV.7. Grafik Hasil Percobaan ……….……….…………... 52
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ………...………...………… 55
V.1. Kesimpulan ………..……….………... 55
Daftar Pustaka
Daftar Gambar
BAB II DIELEKTRIK
Gambar 2.1. Rangkaian Ekivalen Suatu Dielektrik ………...………... 9
Gambar 2.2. Rangkaian Ekivalen Dielektrik ……….……… 9
Gambar 2.3. Komponen Arus Dielektrik ……….. 10
Gambar 2.4. Arus Pada Kapasitor Komersial ……….……….. 11
Gambar 2.5. Dampak Medan Listrik Terhadap Molekul Dielektrik ……… 12
Gambar 2.6. Celah Udara Dielektrik Padat ……….. 13
Gambar 2.7. Kemungkinan Terjadinya Peluahan Internal ……….……….. 15
Gambar 2.8. Arus Pada Suatu Dielektrik ………. 17
BAB III TEORI TEMBUS LISTRIK PADA DIELEKTRIK Gambar 3.1. Medan Elektrik Dalam Dielektrik ………... 26
Gambar 3.2. Arah Medan E Dan Arah Elektron Akibat Gaya F ……….. 27
Gambar 3.3. Ilustrasi Kondisi Akibat Tabrakan eb Dengan Atom N ……...……. 28
Gambar 3.4. Benturan Ion Positif Dengan Katoda Menyebabkan Terjadinya Emisi ……….. 28
Gambar 3.5. Muatan Positif Membentuk Muatan Ruang Seperti Kerucut …….. 29
Gambar 3.6. Plasma Yang Menjadi Kanal Penghubung Antara Anoda Dengan Katoda ………. 29
Gambar 3.7. Muatan Negatif Mengubah Distribusi Medan Elektrik …….……... 31
Gambar 3.8. Emisi Medan Tinggi Pada Permukaan Elektroda …………....……. 33
Gambar 3.10. Ilustrasi Tembus Listrik Pada Zat Cair Yang Mengandung
Butiran Padat ………..………... 36
Gambar 3.11. Ilustrasi Tembus LIstrik Pada Bola Cair ………...….... 37
Gambar 3.12. Grafik Kegagalan Isolasi ………...……….... 39
BAB IV PENGARUH PELAPISAN DIELEKTRIK MINYAK PADA DIELEKTRIK PLASTIK TERHADAP TEGANGAN TEMBUS AC
Gambar 4.1. Rangkaian Pengujian Tegangan Tembus Listrik Pada Plastik Sebelum
Daftar Tabel
BAB II DIELEKTRIK
Tabel 2.1. Beberapa Contoh Kekuatan Dielektrik Suatu Bahan ………...……... 7
Tabel 2.2. Bahan Yang Sering Digunakan Pada Kabel …...…....………. 22
BAB IV PENGARUH PELAPISAN DIELEKTRIK MINYAK PADA DIELEKTRIK PLASTIK TERHADAP TEGANGAN TEMBUS AC
Tabel 4.1. Data Percobaan Tegangan Tembus Listrik Pada Plastik
Tanpa Minyak ... 47
Tabel 4.2. Data Percobaan Tegangan Tembus Listrik Pada Plastik Berminyak .. 48
Tabel 4.3. Data Waktu Tembus Listrik Pada Plastik Tanpa Minyak ….……….. 48
Tabel 4.4. Data Waktu Tembus Listrik Pada Plastik Berminyak ………..…..…. 49
Tabel 4.5. Tegangan Tembus Rata-rata Tiap Penambahan Berat Pada Plastik
Tanpa Minyak ………... 50
Tabel 4.6. Tegangan Tembus Rata-rata Tiap Penambahan Pemberat Pada Plastik
Berminyak ………...….... 50
Tabel 4.7. Waktu Tembus Llistrik (T) Rata-rata Pada Plastik Tanpa Minyak .... 51
ABSTRAK
Elekroda maupun dielektrik padat yang terlihat datar sesungguhnya memiliki permukaan yang tidak rata. Bila elektroda dan dielektrik disusun, maka diantara keduanya terdapat celah kosong yang seandainya celah kosong ini dibiarkan maka akan diisi oleh udara. Udara yang mengisi celah relatif lebih mudah mengalami ionisasi yang berujung erosi pada dielektrik dan mengurangi umur dielektrik padat tersebut.
Bila pada celah kosong tersebut udara digantikan oleh dielektrik minyak, maka ionisasi akan lama terjadi dan erosi pada dielektrik padat sulit terjadi sehingga tegangan tembusnya menjadi lebih besar dan umur dielektrik padat tersebut menjadi lebih lama.
BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang
Setiap dielektrik yang berbeda memiliki kekuatan dalam menahan tegangan
tembus yang berbeda. Pada umumnya dielektrik cair (liquid) memiliki kekuatan
dielektrik yang lebih tinggi daripada gas dan dielektrik solid memiliki kekuatan
dielektrik yang lebih tinggi daripada dielektrik gas dan cair.
Dalam pembuatan kapasitor, maka nilai dari kekuatan dielektrik sangat
menentukan baik buruknya kapasitor tersebut. Kapasitor terdiri dari dua lempeng
logam yaitu Anoda dan Katoda yang dipisahkan oleh dielektik. Dan pada umumnya
dielektrik yang digunakanakan adalah dielektrik padat (solid).
Permukaan elektroda maupun dielektrik padat yang terlihat datar, ternyata
tidak begitu rata, banyak terdapat tonjolan halus maupun pori-pori sehingga ketika
elektroda dan dielektrik disusun akan terbentuk rongga dalam jumlah yang banyak.
Rongga udara merupakan dielektrik yang mudah mengalami ionisasi. Apabila terjadi
ionisasi maka pada dielektrik padat akan mengalami erosi yang menyebabkan
permukaannya terkikis. Selain itu, pada permukaan elektroda yang menonjol ataupun
runcing akan mengalami emisi medan tinggi. Hal ini akan menyebabkan kekuatan
dielektrik padat tadi akan berkurang dan bisa juga umurnya akan semakin pendek.
Untuk menghindari hal ini maka perlu diupayakan agar pada pertemuan
dielektrik padat dengan elektroda tidak terjadi ionisasi sehingga kekuatan dielektrik
tidak hanya tidak berkurang, tetapi juga bertambah. Salah satu cara adalah dengan
menambahkan atau melapisi minyak pada permukaan elektroda maupun dielektrik
I.2 Tujuan Dan Manfaat Penulisan
Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini adalah :
Untuk mempelajari proses terjadinya tembus listrik pada dielektrik padat,
cair maupun gas.
Mendapatkan tegangan tembus listrik dielektrik plastik sebelum dan
sesudah dilapisi minyak trafo.
Menguji kemampuan dielektrik plastik.
Manfaat penelitian ini adalah :
1. Mendapatkan pengertian dan penjelasan mengenai kekuatan dielektrik
dan tegangan tembus listrik.
2. Memberi peluang kepada mahasiswa untuk mempelajari lebih lanjut
studi mengenai tegangan tembus dielektik.
3. Mendapatkan pengetahuan tentang cara memakai alat uji.
I.3 Batasan Masalah
Agar tujuan penulisan tugas akhir ini sesuai dengan yang diharapkan serta
terfokus pada judul dan bidang yang telah disebutkan di atas, maka penulis membatasi
permasalahan yang akan dibahas sebagai berikut :
Penelitian ditekankan pada perbandingan tegangan tembus dielektrik
plastik sebelum dengan sesudah dilapisi dielektrik minyak.
Tidak membahas perubahan suhu maupun perubahan tekanan pada udara
di sekitar pengujian.
Dielektrik yang diuji adalah plastik (polyethylene low dnsity)).
Susunan elektroda penguji adalah plat sejajar.
High Voltage Test Set Model ET-51D
Plastik jenis LDPE (Low Density Polietylen)
Elektroda plat piringan dengan diameter 2,5 cm dan 3,5 cm.
Barometer, Thermometer Voltmeter.
Tegangan kerja adalah tegangan AC.
I.4 Metode Penulisan
Untuk dapat menyelesaikan tugas akhir ini maka penulis menerapkan beberapa
metode studi di antaranya :
Studi literatur yaitu dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan
topik tugas akhir ini dari buku-buku referensi baik yang dimiliki oleh
penulis atau di perpustakaan dan juga dari artikel-artikel, jurnal,
internet dan lain-lain
Studi lapangan yaitu dengan melaksanakan percobaan di Laboratorium
Teknik Tegangan Tinggi FT USU
Studi bimbingan yaitu dengan melakukan diskusi tentang topik tugas akhir
ini dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh departemen
Teknik Elektro USU, dengan dosen-dosen bidang Teknik Tegangan
Tinggi dan teman-teman mahasiswa.
I.5 Sistematika Penulisan
Tugas akhir ini disusun berdasarkan sistematika penulisan sebagai berikut :
BAB I. PENDAHULUAN
Bab ini merupakan pendahuluan yang berisi tentang latar belakang penelitian, tujuan
BAB II. DIELEKTRIK
Bab ini membahas mengenai dielektrik, baik itu pengertian, syarat, macam-macam
dielektrik, rangkaian ekivalen dielektrik, karakteristik dan penggunaan dielektrik.
BAB III. TEGANGAN TEMBUS PADA DIELEKTRIK
Bab ini membahas tentang defenisi tegangan tembus listrik pada dielektrik, proses
terjadinya tegangan tembus listrik pada dielektrik padat, cair dan gas.
BAB IV. PENGARUH PELAPISAN DIELEKTRIK MINYAK PADA
DIELEKTRIK PLASTIK TERHADAP TEGANGAN TEMBUS AC
Bab ini menjelaskan tentang penerapan atau pengujian dielektik plastik baik sebelum
maupun sesudah diolesi dengan minyak trafo untuk mengetahui perbandingan
kekuatan dielektriknya. Pengujian ini dilakukan di laboratorium teknik tegangan
tinggi.
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisikan tentang kesimpulan yang diperoleh dari pembahasan dan saran pada
BAB II DIELEKTRIK
II.1. Pengertian Dielektrik
Dielektrik adalah suatu bahan yang memiliki daya hantar arus yang sangat
kecil atau bahkan hampir tidak ada. Bahan dielektrik dapat berwujud padat, cair dan
gas.Tidak seperti konduktor, pada bahan dielektrik tidak terdapat elektron-elektron
konduksi yang bebas bergerak di seluruh bahan oleh pengaruh medan listrik. Medan
listrik tidak akan menghasilkan pergerakan muatan dalam bahan dielektrik. Sifat
inilah yang menyebabkan bahan dielektrik itu merupakan isolator yang baik. Dalam
bahan dielektrik, semua elektron-elektron terikat dengan kuat pada intinya sehingga
terbentuk suatu struktur regangan (lattices) benda padat, atau dalam hal cairan atau
gas, bagian-bagian positif dan negatifnya terikat bersama-sama sehingga tiap aliran
massa tidak merupakan perpindahan dari muatan. Karena itu, jika suatu dielektrik
diberi muatan listrik, muatan ini akan tinggal terlokalisir di daerah di mana muatan
tadi ditempatkan.
Masing-masing jenis dielektrik memiliki fungsi dan fungsi yang paling
penting dari suatu isolasi adalah:
1. Untuk mengisolasi antara penghantar dengan pengahantar yang lain.
Misalnya antara konduktor fasa dengan konduktor fasa, atau konduktor fasa
dengan tanah.
2. Menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang diisolasi.
3. Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan reaksi kimia.
Agar dielektrik mampu menjalanakan tugasnya dengan baik maka dielektrik
1. Mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi, agar dimensi sistem isolasi
menjadi kecil dan pengunaan bahan dielektrik semakin sedikit, sehingga
harganya semakin murah.
2. Rugi-rugi dielektrik yang rendah, agar suhu bahan isolasi tidak melebihi batas
yang ditentukan.
3. Memiliki kekuatan kerak tinggi, agar tidak terjadi erosi karena tekanan
elektrik permukaan.
4. Memiliki konstanta dielektrik yang tepat dan cocok, sehingga membuat arus
pemuatan tidak melebihi yang diijinkan.
5. Kemampuan menahan panas tinggi (daya tahan panas).
6. Kerentanan terhadap perubahan bentuk pada keadaan panas.
7. Konduktivitas panas yang tinggi.
8. Koefisien muai panas yang rendah.
9. Tidak mudah terbakar.
10.Tahan terhadap busur api.
11.daya serap air yang rendah.
Tetapi dalam prakteknya tidak ada dielektrik yang mampu memenuhi semua
syarat-syarat diatas. Sehingga diperlukan kompromi tentang sifat-sifat apa saja
yang lebih diutamakan.
II.2. Jenis-Jenis Dielektrik
Dielektik ada tiga jenis, yaitu padat (solid), cair (liquid) dan udara (gas).
tertinggi yang dapat ditahannya dimana dielektrik tersebut tidak berubah sifat menjadi
konduktif (tembus listrik).
Berikut ini dalam tabel 2.1** akan diberikan beberapa contoh dari bahan-bahan
Nylon 6/10 190 0,04 4,6
Mika dan
turunannya
Muscovite 10.000 0,03 6 – 7,5
phlogopite 7000 0,03 6 – 7,5
Dielektrik
Minyak
transformator 150 0,001 2,2 – 2,3
Kabel 300 0,002 2,3 -2,5
Kapasitor 200 0,25 x 10-2 2,1
Askarels 200-250 0,6 x 10-2 4,8
silikon 300-400 10-3 2,7 - 3
Polyethylen
Low Density 170-280 2.10 -4 2,3
Med-Density 200-280 2.10 -4 2,3
High Density 180-240 2.10 -4 2,35
Irradiated 720-1000 5.10 -4 2,3
**
M.S Naidu, V. Kamaraju “ High Voltage Enggineering”, Tata Mc Graw-Hill Publishing, Seven Reprint, bab III dan IV, New Delhi, 1990.
Tabel 2.1. Beberapa contoh kekuatan dielektrik suatu bahan.
II.3. Rangkaian Ekivalen Dielektrik
Arus yang timbul pada suatu dielektrik ada tiga komponen yaitu arus
pengisian, arus absorpsi dan arus konduksi. Sehingga rangkaian ekivalen suatu
dielektrik harus dapat menampilkan adanya ketiga kompanen arus diatas. Rangkaian
b
a
C
gi
ki
aR
kR
aC
a
i
pGambar 2.1. Rangkaian ekivalen suatu dielektrik
Keterangan:
Cg = Kapasitansi geometris Rk = Tahanan dielektrik
Ra = Tahanan absorbsi Ca = Kapasitansi arus absorbsi
A C
Ic IR
I Re
Ce
a b
Gambar 2.2. Rangkaian ekivalen dielektrik
V
Arus total yang diberikan sumber tegangan adalah seperti gambar 2.3. berikut ini :
Gambar 2.3. Komponen arus dielektrik
II.4. Karakteristik Dielektrik
Ada enam sifat-sifat listrik dielektrik yang perlu diketahui yaitu:
1. Kekuatan dielektrik
2. Konduktansi
3. Rugi-rugi dielektrik
4. Tahanan isolasi
5. Peluahan parsial (partial discharge)
6. Kekuatan kerak isolasi (tracking strength)
Berikut ini akan dijelaskan secara sederhana maksud dari keenam sifat di atas.
II.4.1 Kekuatan Dielektrik
Semua bahan dielektrik memiliki tingkat ketahanan yang disebut dengan
“kekuatan dielektrik”, diartikan sebagai tekanan listrik tertinggi yang dapat ditahan
oleh dielektrik tersebut tanpa merubah sifatnya menjadi konduktif. Apabila suatu ………... 2.1
…….……….. 2.2
IR
dielektrik berubah sifatnya menjadi konduktif, maka dielekrik tersebut telah tembus
listrik (breakdown). Kekuatan dielektrik juga dapat diartikan sebagai tekanan listrik
terendah yang mengakibatkan dielektrik tersebut tembus listrik. Kekuatan dielektrik
ini disebut juga dengan kuat medan kritis.
Tegangan tembus (breakdown voltage) suatu isolator adalah tegangan
minimum yang dibutuhkan untuk merusak dielekrik tersebut. Kekuatan dielektrik dari
suatu bahan isolasi dinyatakan dengan tegangan maksimum yang dapat ditahan oleh
suatu medium tanpa merusaknya. Dengan kata lain, kekuatan dielektrik dinyatakan
dengan gradien tegangan yang diperlukan supaya dielektrik itu mengalami tembus
listrik.
II.4.2 Konduktansi
Apabila tegangan searah diberikan pada plat-plat sebuah kapasitor komersil
dengan isolasi seperti mika, porselin atau kertas maka arus yang timbul tidak berhenti
mengalir untuk waktu yang singkat, tetapi turun perlahan-lahan. Hal itu disebabkan
oleh ketiga komponen arus yang terdapat di dalam dielektrik tersebut seperti
diperlihatkan pada gambar 2.4. di bawah ini.
Gambar 2.4.Arus pada kapasitor komersial
t1 t2 t3
t ik
ip ia
im
Arus pengisian (ip) terjadi selama waktu t1. Arus pengisian disebabkan oleh
molekul-molekul yang bergerak cepat sehingga terpolarisasi dengan cepat pula.
Kemudian arus berkurang perlahan-lahan selama t2, arus ini disebut arus absorpsi (ia).
Arus absorpsi terjadi karena adanya gerakan-gerakan lambat (viscous) dari
molekul-molekul dielektrik. Akhirnya arus mencapai nilai tertentu (ik), arus ini disebut arus
konduksi. Arus ini tetap mengalir dengan konstan karena tahanan dielektirk tidak
mencapai nilai tak hingga.
II.4.3 Rugi-rugi Dielektrik
Rugi-rugi dielektrik untuk isolasi tegangan tinggi merupakan salah satu ukuran
penting terhadap kualitas material isolasi. Suatu bahan dielektrik tersusun atas
molekul-molekul dan elektron-elektron di dalamnya terikat kuat dengan inti atomnya.
Ketika bahan tersebut belum dikenai medan listrik, maka susunan molekul dielektrik
tersebut masih belum beraturan (tidak tersusun rapi), seperti ditunjukkan pada
Gambar 2.5.a.
a b c
Gambar 2.5. Dampak medan listrik terhadap molekul dielektrik
Ketika molekul-molekul tersebut dikenai medan listrik, maka muatan inti
positif mengalami gaya yang searah dengan medan listrik dan elektron-elektron dalam
molekul tersebut akan mengalami gaya listrik yang arahnya berlawanan dengan arah
medan listrik tadi. Gaya listrik ini akan mengubah posisi elektron dan proton dari
posisi semula, akibatnya molekul-molekul dielektrik akan terpolarisasi dan berubah
arahnya sejajar dengan arah medan listrik, seperti pada Gambar 2.5.b. Karena
mendapat terpaan elektrik yang selalu berubah-ubah arahnya, maka arah dipol juga
berubah-ubah setiap saat (1800) terhadap posisi semula, seperti pada Gambar 2.5.c.
Perubahan arah molekul akan menimbulkan gesekan antar molekul. Karena medan
listrik yang berubah setiap saat, maka gesekan antar molekul juga terjadi
berulang-ulang. Gesekan ini akan menimbulkan panas yang disebut dengan rugi-rugi dielektrik.
II.4.4 Peluahan Parsial ( Partial Discharge)
Peluahan parsial (partial discharge) adalah peluahan elektrik pada medium
isolasi yang terdapat di antara dua elektroda berbeda tegangan, di mana peluahan
tersebut tidak sampai menghubungkan kedua elektroda secara sempurna. Peristiwa
seperti ini dapat terjadi pada isolasi padat yang di dalamnya terdapat rongga udara
seperti ditunjukkan pada gambar 2.6. berikut ini :
D ielektrik padat
Jika medan elektrik dihasilkan oleh dua elektroda piring sejajar yang luasnya
tak hingga, maka kuat medan elektrik pada setiap lapis dielektrik adalah:
V = beda tegangan di antara elektroda (V)
ε = konstanta dielektrik
s = tebal dieletrik (cm)
Jika dimisalkan konstanta dielektrik padat adalah enam dan konstanta
dielektrik udara adalah satu, maka kuat medan dielektrik pada celah udara untuk
susunan dielektrik seperti gambar di atas adalah:
u
Karena su relatif sangat kecil dibanding terhadap tebal keseluruhan dielektrik
padat (s1 + s2), maka kuat medan dieletrik pada celah udara adalah:
2
Dengan cara yang sama dapat dihitung kuat medan elektrik pada dielektrik
padat, hasilnya adalah:
2
Terlihat bahwa kuat medan dielektrik pada celah udara enam kali lebih besar
dari kuat medan eletrik dielektrik padat. Sedangkan kekuatan dielektrik udara jauh
lebih kecil dari kekuatan dielektrik padat. Jika kuat medan elektrik di celah udara
ε1
ε2 s
dielektrik padat tidak mengalami tembus listrik. Karena terpaan elektrik yang
dialaminya masih di bawah kekuatan dielektriknya. Karena tembus listrik hanya
terjadi di celah udara maka peristiwa ini disebut peluahan parsial (partial discharge).
Ada beberapa jenis peristiwa pada peluahan parsial, yaitu ;
1. Peluahan parsial internal
Peluahan ini terjadi pada susunan dielektrik yang tidak sempurna, terdapat
celah atau rongga yang berisi udara atau pun campuran dielektrik lain yang memiliki
konstanta dielektrik lebih rendah. Kondisi tersebut dapat diilustrasikan pada gambar
di bawah ini.
Gambar 2.7. Kemungkinan terjadinya peluahan internal
2. Peluahan parsial permukaan
Peluahan parsial permukaan mungkin terjadi bila terdapat daerah yang secara
paralel dengan dielektrik mengalami stres tegangan berlebihan. Kejadian ini biasa
dialami pada bushing, ujung kabel, overhang dari kumparan generator.
3. Korona
Korona merupakan hasil terakselerasinya ionisasi di bawah pengaruh suatu
medan listik. Ini merupakan suatu proses fisika dimana struktur molekul netral atau d
V
atom diubah akibat benturan atom atau molekul netral dengan elektron bebas, photon
atau ion negatif. Setiap sistem isolasi atau elektroda dimana korona dapat terjadi
merupakan sumber korona. Wilayah dimana korona terjadi disebut lokasi korona.
Korona dapat dideteksi dari peristiwa emisi cahaya yang berwarna violet atau juga
dari bunyi getaran yang dihasilkan pada konduktor.
4. Pemohonan elektrik (electrical treeing)
Pemohonan elektrik bermula dari kondisi dielektrik yang tidak baik
dikarenakan adanya rongga/celah udara di dalam dielektrik itu sendiri. Apabila diberi
tegangan tinggi, maka terjadi peluahan internal yang dalam waktu lama akan terjadi
percabangan rongga akibat erosi. Pemohonan elektrik dapat juga terjadi dalam waktu
yang singkat dikarenakan ketidak mampuan dielektrik dalam menahan terpaan medan
listrik. Oleh karena peristiwa ini maka dielektrik telah mengalami kerusakan secara
fisik.
II.4.5 Tahanan Isolasi
Jika suatu dielektrik diberi tegangan searah, maka arus yang mengalir pada
dielektrik terdiri dari dua komponen, yaitu Arus yang mengalir pada permukaan
dielektrik (Is) dan arus yang mengalir melalui volume dielektrik (Iv) seperti terlihat
pada gambar 2.8. Sehingga hambatan dielektrik terdiri dari resistansi permukaan dan
V
A
I
aI
sI
vGambar 2.8. Arus pada suatu dielektrik
Dalam prakteknya, hasil tahanan isolasi tergantung pada besar polaritas
tegangan pengukuran serta jenis bahan isolasi.
II.4.6 Kekuatan Kerak Isolasi
Bila suatu sistem isolasi diberi tekanan elektrik, maka arus akan mengalir pada
permukaannya. Besar arus permukaan ini menentukan besarnya tahanan permukaan
sistem isolasi. Arus ini sering juga disebut arus bocor atau arus yang menelusuri sirip
isolator. Besar arus tersebut dipengaruhi oleh kondisi sekitar, yaitu suhu, tekanan,
kelembaban dan polusi. Secara teknis sistem isolasi harus mampu memikul arus bocor
tersebut tanpa menimbulkan pemburukan karena arus bocor dapat dibatasi.
Arus bocor menimbulkan panas, dan hasil sampingannya adalah timbulnya
penguraian pada bahan kimia yang membentuk permukaan sistem isolasi. Efek yang
sangat nyata dari penguraian ini adalah timbulnya kerak (jejak arus). Kerak dapat
membentuk jalur konduktif yang selanjutnya akan menimbulkan tekanan elektrik
yang berlebihan pada isolasi. Panas yang ditimbulkan arus bocor dapat juga
II.5. Penggunaan Dielektrik
Dielektrik digunakan untuk memisahkan dua permukaan yang memiliki
perbedaan potensial listrik. Dielektrik banyak digunakan sebagai isolasi pemisah dan
pembungkus pada konduktor. Ada empat area yang secara prinsipil harus
menggunakan pemisah, yaitu :
1. Antara phasa dengan bumi
2. Antara phasa dengan phasa
3. Antara belitan suatu kumparan
4. Antara kumparan dengan kumparan lainnya
II.5.1. Penggunaan Pada Transformator Daya
Pemakaian dielektrik sebagai pemisah pada transformator daya dibagi secara
luas dalam beberapa hal, sebagai berikut :
1. Pemisah antar belitan
2. Pemisah antar kumparan
3. Pemisah kumparan tegangan rendah dengan bumi
4. Pemisah kumparan tegangan rendah dengan kumparan tegangan tinggi
5. Pemisah kumparan tegangan tinggi dengan bumi
Pada transformator daya, kumparan tegangan tinggi maupun tegangan rendah
dimasukkan ke dalam suatu tangki logam. Kumparan inti trafo ditahan atau
didudukkan pada isolator solid yang pada umumnya berupa kayu untuk mencegah
terjadinya bagian kontak tegangan pada tangki. Rongga kosong yang ada normalnya
diisi dengan dielektrik minyak atau pun gas. Minyak atau pun gas ini membantu
mengurangi panas yang timbul pada konduktor inti selain menambah umur trafo
enamel organik untuk rating trafo yang rendah, namun pada rating yang lebih tinggi
digunakan kertas atau gelas sebagai pembungkus konduktor. Selain itu, dapat dipakai
juga pressboard, glass fabric, porcelain untuk kondisi rating trafo yang lebih tinggi
lagi.
II.5.2. Penggunaan Pada Mesin Berputar
Pada mesin berputar seperti motor atau generator, penggunaan dielektrik pada
mesin ini ditentukan berdasarkan tegangan kerja mesin, apakah bekerja pada tegangan
tinggi atau pada tegangan rendah. Untuk bahan-bahan dielektrik yang dipakai, maka
kemampuan suhu kerja serta kekuatan mekanis bahan harus diperhatikan. Bahan yang
sering dipakai adalah mika, enamel organik dan epoxi resin.
II.5.3. Penggunan Pada Circuit Breaker
Circuit breaker merupakan alat listrik yang berfungsi memutuskan daya dari
sumber arus kepada beban pada saat terjadi gangguan. Circuit breaker merupakan
saklar otomatis yang memiliki lengan penghubung yang dalam kondisi normal berada
dalam keadaan tertutup. Bila terjadi gangguan maka lengan penghubung akan terbuka
sehingga rangkaian menjadi terbuka. Pada tegangan yang rendah, circuit breaker diisi
dengan udara, namun pada tegangan tinggi dan dengan daya yang besar biasanya
digunakan OCB (Oil Circuit Breaker), gas SF6 atau juga hampa udara. Bahan-bahan
tersebut berguna untuk mencegah terjadinya arus busur api, ataupun mempercepat
pemadaman busur api yang sempat terjadi.
Pada tabung atau kotak CB biasanya dilapisi oleh bahan isolasi seperti teflon,
mika, plastik, kaca, porselein atau lainnya sesuai dengan kemampuan temperatur
II.5.4. Penggunaan Pada Kabel
Dewasa ini, penggunaan karet alami praktis telah digantikan oleh penggunaan
karet sintetis atau pelastik sebagai pemisah kabel. Pengguanaan dari bahan tersebut
tergantung pada jenis aplikasinya. Bahan tersebut harus dapat memanjang,
merenggang atau memiliki sifat elastisitas dan kekerasan yang baik sehingga
memudahkan pada waktu pemasangan atau perbaikan selain itu juga tidak mudah
rusak. Bahan tersebut juga harus memiliki konstanta dielektrik dan faktor daya yang
rendah tetapi memiliki kekuatan dielektrik dan resistansi yang tinggi. Juga, selama
operasional, dikarenakan melebihi beban penuh atau pun dalam keadaan beban penuh
yang terjadi terlalu lama, maka bahan dapat rusak karena temperatur yang tinggi. Hal
ini memaksa bahan untuk dapat memilki kemampuan menahan penuaan akibat
tingginya temperatur dengan baik. Bahan juga harus dapat menahan sinar matahari
dengan lama dan berbagai jenis bahan kimia. Kabel tegangan tinggi dapat
menimbulkan ozon, sebagai akibatnya bahan dielektrik akan menjadi lebih buruk.
Tempat yang paling dipengaruhi adalah yang dekat dengan konduktor.
Kabel juga kadang-kadang ditempatkan pada sungai atau di bawah laut. Untuk
penerapan tersebut maka bahan harus dapat tetap kering atau memiliki daya serap air
yang rendah. Ketika kabel harus digunakan pada temperatur yang dingin, maka bahan
tidak boleh menjadi kaku dan merenggas sehingga menjadi gampang rusak. Kejadian
peluahan sebahagian (partial discharge) pada bahan dielektrik juga harus dijaga untuk
serendah mungkin terjadi.
Jenis bahan dielektrrik yang sering digunakan pada industri kabel adalah
kertas, karet, plastik dan udara tekan. Kertas masih sering digunakan sebagai
tinggi, rugi-rugi dielektrik yang rendah dan umur yang panjang. Yang paling sering
digunakan sebagai bahan dielektrik untuk kabel tegangan rendah adalah P.V.C
(Poly-Vinyl-Chloride). Polyethylen dan sejenisnya juga sering digunakan. P.V.C tidak cocok
digunakan untuk tegangan tinggi dikarenakan konstanta dielektrik yang tinggi dan
tingginya rugi-rugi. Bahan ini tidak dapat digunakan secara berkelanjutan pada
tegangan yang lebih tinggi, meskipun P.V.C. dapat digunakan pada temperatur di atas
85 oC pada tegangan rendah tanpa terganggu. Pada sisi lainnya, polyethylene memiliki
konstanta dielektrik yang rendah dan nilai rugi-rugi yang rendah tetapi memiliki
kekuatan dielektrik yang tinggi. Bahan dielektrik yang paling baik untuk tegangan
tinggi dan temperatur kerja yang tinggi adalah teflon (P.T.F.E) yang dapat digunakan
sampai 250 oC. Karet silikon memiliki derajat ketahanan panas yang tinggi untuk suhu
kerja sampai 150oC. Karena kelebihan yang dimiliknya, maka bahan ini sering
digunakan pada kabel pesawat udara. Pada dielektrtik kertas, kertas yang digunakan
adalah kertas impregnasi dengan minyak. Dalam tabel 2.2 berikut ini akan diberikan
Jenis Bahan
Tipe berongga udara 400,0 -20 sampai 70
Berlapis vernis 28,0 -10 sampai 80
Karet
Alami 3,0 -40 sampai 70
Lateks - sintetis 0,6 -40 sampai 75
Neopren-sintetis 0,6 -30 sampai 90
Silikon-sintetis 5,0 -40 sampai 150
Butyl-sintetis 25.0 -40 sampai 80
Plastik
P.V.C 0.6 -30 sampai 105
polietilen 15,0 -60 sampai 80
Teflon 5,0 -54 sampai 250
Fluorothenes 5,0 -54 sampai 150
Tabel 2.2. Bahan yang sering digunakan pada kabel
II.5.5. Penggunan Pada Kapasitor Daya
Penggunaan kapasitor daya erat kaitannya dengan membicarakan sistem
distribusi daya listrik. Kapasitor daya dikenal baik fungsinya sebagai penyetabil
tegangan pada sistem transmisi dan kemampuanya dalam memperbaiki faktor daya
Pemakaian energi listrik pada industri, pada umumnya menyerap daya reaktif
sehingga menimbulkan arus yang tertinggal terhadap tegangan pada jaringan. Hal ini
membutuhkan penambahan kapasitansi. Hal ini dapat diatasi dengan menggunakan
kapasitor yang menyerap daya kapasitif sehingga timbul arus yang mendahului
tegangan. Kapasitor dibuat dalam unit-unit yang sederhana dengan rating tegangan
dari 220 volt sampai 13.800 volt dengan rating daya reaktif mulai dari 0,5 KVAR
sampai 25 KVAR. Kapasitor daya umumnya dibuat dengan menggunakan kertas
impregnasi.
Kapasitor daya juga digunakan pada penerapan frekuensi tinggi seperti
perbaikan faktor daya pada pemanas atau kumparan tungku api. Pada frekuensi yang
tinggi rugi-rugi dielektrik naik dengan sangat cepat, hal ini membuat kapasitor
menjadi panas sehingga kapasitor harus segera didinginkan dengan menggunakan air
pendingin.
Umumnya, kapasitor daya dibuat dengan menggunakan lembaran kertas
dengan ketebalan yang memadai dan alumunium foil dengan ketipisan enam mikron
sebagai elektroda. Lembaran kertas disusun satu persatu kemudian bersamaan dengan
elektroda alumunium diimpregnasi dengan minyak dielektrik. Minyak kapasitor yang
digunakan adalah yang memiliki rugi-rugi dielektrik yang rendah dengan harga yang
murah.
Persyaratan bahan kertas sebagai dielektrik pada penerapan sebagai kapasitor
hendaknya memiliki kekuatan dielektrik yang tinggi, rugi-rugi dielelektrik yang
rendah, konstanta dielektrik yang tinggi, ketebalan yang sama, campuran partikel
konduktor diusahakan sangat rendah.
Dalam perkembangan penemuan bahan, maka kertas yang dulunya sering
plastic film. Hasilnya adalah ukuran kapasitor yang semakin mengecil dengan
kemampuan yang hampir sama.
II.5.6. Penggunaan Pada Peralatan Elektronik
Penggunaan pada peralatan elektronik sangat kompleks, kemampuan bahan
bergantung pada kemampuan alami bahan yang digunakan. Bahan yang digunakan
harus dapat bekerja pada tegangan ac maupun dc dalam berbagai kondisi temperatur
dan kelembapan. Penerapan bahan dielektrik dalam hal ini adalah dalam pembuatan
komponen-komponen elektronika, dudukan komponen peralatan tersebut, pelindung
BAB III
TEORI TEMBUS LISTRIK PADA DIELEKTRIK
III.1. Pengertian Tegangan Tembus Listrik
Kekuatan dielektrik Ek adalah terpaan tertinggi yang dapat dipikul suatu
dielektrik. Dan Tegangan tembus (breakdown voltage) suatu isolator adalah tegangan
minimum yang dibutuhkan untuk membuat dielektrik menjadi tembus listrik (break
down). Jika dielektrik telah tembus listrik maka dielektrik telah gagal menjalankan
fungsinya (rusak).
Ada dua syarat agar dielektrik tembus listrik yaitu :
1. Terpaan elektrik yang dipikul dielektrik harus lebih besar atau sama dengan
kekuatan dielektriknya (E ≥ Ek).
2. Lama terpaan elektrik berlangsung lebih besar atau sama dengan waktu tunda
tembus.
Hal tersebut disebabkan oleh proses ionisasi berantai yang membutuhkan
waktu untuk membuat dielektirk tembus listrik. Waktu yang dibutuhkan untuk
membuat dielektrik tembus listrik disebut waktu tunda tembus (time lag) yang tidak
tentu dan bersifat statistik dan berlangsung dalam orde mikro detik. Jadi kedua syarat
tersebut hanya berlaku untuk tegangan impuls, sedangkan untuk tegangan searah dan
sinusoidal yang waktu puncak dalam orde mili detik hanya memerlukan satu syarat
saja yaitu syarat nomor satu diatas.
Pada gambar 3.1 berikut ditunjukan suatu bahan dielektrik yang ditempatkan
diantara dua elektroda sejajar. Bila elektroda diberi tegangan searah V maka timbul
medan elektrik E. Medan elektrik ini merupakan beban bagi dielektrik yang menekan
E V
E le k tro d a
D ie le k trik
E le k tro d a
elektron-elektron agar terlepas dari ikatannya menjadi elektron bebas. Jika medan
elektrik E yang dipikul dielektrik melebihi kekuatan dielektrik dengan waktu yang
melebihi atau sama dengan waktu tunda tembus, maka dielektrik tembus listrik
(break down).
Gambar 3.1. Medan elektrik dalam dielektrik
III.2. Tegangan Tembus Listrik Pada Dielektrik Gas
Tembus listrik pada bahan isolasi gas atau udara melalui beberapa peristiwa,
diantaranya adalah ionisasi, deionisasi dan emisi. Ada dua teori yang menjelaskan
mekanisme tembus listrik pada dielektrik gas yaitu teori Townsend dan teori
Streamer.
III.2.1. Teori Townsend
Pada udara diantara dua elektroda terdapat elektron bebas (eb) hasil ionisasi
foton (radiasi) dan molekul-molekul netral. Apabila kedua elektroda dihubungkan
dengan sumber tegangan (V), maka timbul medan listrik (E) yang arahnya dari Anoda
F yang arahnya berlawanan dengan arah medan listrik E. Kondisi ini dapat
diilustrasikan melalui gambar 3.2. di bawah ini.
Gambar 3.2. Arah medan E dan arah elektron akibat gaya F
Dalam perjalanan menuju anoda, elektron eb membentur atom/molekul netral.
Pada saat terjadi benturan maka timbul energi yang apabila energi kinetis elektron
bebas lebih besar daripada energi ikat elektron molekul netral (Wkinetis > Wikat ) maka
elektron terikat ea yang ada pada molekul netral akan lepas dan hasilnya menjadi satu
ion positif dan dua elektron bebas masing masing eb dan ea. Hal ini dapat dilihat pada
gambar 3.3.
Elektron eb dan ea akan terus maju menuju Anoda. Ketika dalam perjalanan
menuju anoda, eb dan ea membentur molekul netral lagi maka bila Wkinetis > Wikat
maka akan terjadi lagi ionisasi. Hasilnya adalah jumlah elektron bebas semakin
melimpah dan ion positif juga menjadi banyak
A
E
F
Gambar 3.3. Ilustrasi kondisi akibat tabrakan eb dengan atom N
Ion positif bergerak menuju Katoda dengan gerakan yang lebih lambat
daripada pergerakan elektron bebas namun memiliki masa yang jauh lebih besar
akibatnya ion positif membentur permukaan dinding Katoda dengan momentum
energi yang besar. Sehingga pada permukaan dinding Katoda, elektron akan
berhamburan keluar seperti ditunjukkan pada gambar 3.4. Elektron-elektron baru ini
akan langsung bergerak menuju anoda. Dalam perjalanannya elektron baru ini akan
membentur molekul netral sehingga kejadian di atas kembali berulang.
Gambar 3.4. Benturan ion positif dengan Katoda menyebabkan terjadinya emisi
A
E
eb
+ ea
A
ebea
E
eb
+
Selama medan listrik masih ada dan terjadi terus-menerus maka proses
ionisasi benturan dan emisi ion positif akan terus belangsung sehingga terjadilah
banjiran elektron dan ion positif. Bila banjiran muatan yang berpindah terus menerus
dari Katoda ke Anoda dan dalam jumlah yang sangat besar dan perpindahan muatan
ini adalah merupakan arus. Maka arus yang terjadi semakin lama semakin membesar,
peristiwa ini disebut dengan tembus listrik atau kegagalan dielektrik.
III.2.2. Teori Streamer
Teori streamer terdiri dari dua model yaitu streamer positif dan streamer
negatif. Teori streamer merupakan kelanjutan dari teori townsend dimana akibat
adanya banjiran elektron yang menyerupai kerucut maka terjadi distribusi medan yang
tidak merata sehingga terjadi banjiran bantu baru pada daerah yang memiliki medan
tinggi yang pada akhirnya menghasilkan kanal peluahan penghubung kedua elektroda.
III.2.2.a. Teori Streamer Positif
Proses dimulai dari terjadinya ionisasi oleh benturan elektron bebas awal (ea)
dengan molekul netral sampai dengan terjadinya banjiran elektron menurut teori
townsend. Setelah terjadi banjiran elektron, maka semua elektron akan tertarik pada
Anoda dan ion positif dikarenakan masa yang jauh lebih besar tertinggal membentuk
Gambar 3.5. Muatan positif membentuk muatan ruang seperti kerucut
Arus yang ditimbulkan ion-ion positip kecil karena kerapatan ion di tangkai banjiran
rendah. Sementara itu, pada daerah P dan Q terjadi medan tinggi. Akibatnya timbul
elektron baru hasil fotoionisasi sehingga pada daerah P dan Q terjadi banjiran bantu
baru. Bila hal ini terjadi secara terus menerus maka banjiran bantu akan terus
membawa elektron-elektrton baru dan menimbulkan plasma seperti pada gambar 3.6.
Plasma yang terbentuk akan menjadi kanal peluahan yang menghubungkan kedua
elektroda sehingga terjadilah aliran arus yang besar. Maka dalam hal ini sudah terjadi
tembus listrik.
Gambar 3.6. Plasma penghubung antara Anoda dengan Katoda
A
A
III.2.2.b. Teori Streamer Negatif
Banjiran awal menghasilkan elektron yang banyak. Elektron-elektron ini
membentuk muatan ruang yang mengubah distribusi medan elektrik seperti pada
gambar 3.7. di bawah.
Gambar 3.7. Muatan negatip mengubah distribusi medan elektrik
Elektron yang berada pada daerah P bergerak menuju anoda mendahului
elektrton yang ada pada banjiran. Elektron ini dalam perjalanannya akan membentur
molekul netral. Bila benturan elektron bebas yang terjadi menghasilkan Wkinetis >
Wikat pada elektron terikat di molekul netral maka elektron terikat akan lepas.
Peristiwa ini menghasilkan satu elektron baru dan satu ion positip. Bila kejadian ini
terjadi dengan banyak elektron dan banyak molekul netral dan berlangsung secara
terus-menerus maka akan timbul plasma. Plasma yang terbentuk akan menjadi kanal
peluahan yang menghubungkan Katoda dengan Anoda seperti gambar 3.6 di atas.
A
E1
E2
III.2.3. Hukum Paschen
Sebelumnya telah dijelaskan pada teori townsend maupun teori streamer
tembus listrik diawali dengan terjadinya ionisasi molekul udara. Ionisasi molekul
udara ini tergantung pada kuat medan elektrik. Sedangkan medan elektrik tergantung
pada jarak sela (d) elektroda. Oleh karena itu, tembus listrik tergantung pada jarak
sela (d) kedua elektroda.
Ionisasi tergantung pada Wkinetis, Wkinetis tergantung kepada kecepatan elektron
bebas saat membentur molekul netral. Kecepatan elektron tergantung kepada jarak
bebas antar molekul. Sedangkan jarak bebas antar molekul tergantung kepada tekanan
dan suhu udara. Maka, tembus listrik tergantung pada tekanan (p) dan suhu (t) udara.
Dalam percobaan didapatlah hubungan antara jarak sela (d), tekanan (p), suhu
(t) dengan besar tegangan tembus Vt, yaitu ;
t
III.3. Tegangan Tembus Listrik Pada Dielektrik Cair
Mekanisme tembus listrik pada dielektrik cair bergantung pada kemurnian
cairan dan zat-zat pengotor yang terdapat pada dielektrik cair tersebut yaitu butiran
padat, gelembung gas serta bola cair.
Teori kegagalan dielektrik cair dapat dibagi dalam empat jenis yaitu:
1. Teori kegagalan dielektrik cair murni
2. Teori kegagalan gelembung gas
3. Teori kegagalan butiran padat
III.3.1 Teori Kegagalan Dielektrik Cair Murni
Dielektrik cair murni tidak mengandung elektron bebas. Elektron bebas yang
timbul adalah disebabkan oleh emisi medan tinggi, akibat medan yang tinggi, maka
sejumlah elektron akan terlepas dari permukaan elektroda seperti ditunjukkan pada
gambar 3.8. di bawah.
Gambar 3.8. Emisi medan tinggi pada permukaan elektroda
Elektron bebas bergerak menuju anoda. Dalam perjalanan menuju anoda,
elektron bebas membentur molekul-molekul netral dielektrik. Apabila energi kinetik
elektron bebas lebih besar dari energi ikat atom netral, maka terjadilah ionisasi yang
menghasilkan satu elektron bebas dan satu ion positif. Elektron bebas hasil emisi dan
hasil ionisasi bersama-sama bergerak menuju anoda. Dalam perjalanannya menuju
anoda, elektron-elektron tersebut membentur molekul-molekul netral. Bila energi
kinetis elektron bebas lebih kuat dari pada energi ikat elektron pada atom netral, maka A
K
E1
E2
elektron pada atom netral akan terlepas sehingga jumlah elektron bebas yang menuju
ke anoda semakin banyak.
Ion positif yang dihasilkan oleh proses ionisasi bergerak menuju katoda, akan
tetapi pergerakannya lebih lambat karena massanya lebih besar. Ion positif
membentur permukaan elektroda katoda sehingga terjadi emisi dampak ion positif.
Selama medan listrik masih ada, proses ionisasi benturan dan emisi dampak ion
positif akan berlangsung terus menerus sehingga terjadilah banjiran-banjiran elektron
yang menjembatani kedua elektroda dan akhirnya terjadi tembus listrik.
III.3.2 Teori Kegagalan Gelembung Gas
Timbulnya gelembung gas pada suatu dielektrik cair disebabkan oleh :
1. Permukaan elektroda yang tidak rata sehingga ada kantong udara pada permukaan
elektroda.
2. Adanya benturan elektron sehingga terjadi produk baru berupa gas.
3. Peluahan pada bagian yang runcing atau tidak teratur pada elektroda.
4. Perubahan suhu dan tekanan cairan.
Tembus listrik dielektrik cair yang mengandung gelembung gas dapat
dijelaskan dengan pertolongan gambar 3.9. Jika elektroda diberi tegangan, maka
Gambar 3.9. Tembus listrik pada dielektrik cair yang mengandung gelembung gas
Kuat medan listrik dalam gelembung gas dinyatakan dengan persamaan :
1 2
3
+ = εε E
Eg ... ... 3.2
dengan ε adalah permitivitas dielektrik cair dan E adalah kuat medan listrik dalam dielektrik cair tanpa gelembung.
Apabila nilai Eg lebih besar dari kekuatan dielektrik gas, maka gas dalam
gelembung akan tembus listrik dan dielektrik cair mengalami dekomposisi.
Penguraian partikel-partikel gas ini akan menimbulkan gelembung gas yang baru.
Gelembung-gelembung gas bergerak mengikuti arah medan listrik berbaris dan
sambung menyambung sampai akhirnya menjembatani elektroda. Ketika terbentuk
jembatan listrik (jembatan serat) tersebut, maka dielektrik cair mengalami tembus
listrik.
A K
Eg
E εr
III.3.3 Teori Kegagalan Butiran Padat
Dielektrik cair dapat mengandung butiran padat, misalnya partikel debu atau
serat-serat selulosa. Kehadiran medan listrik dalam dielektrik cair menyebabkan
partikel-partikel tersebut terpolarisasi. Bila partikel-partikel tersebut memiliki
permitivitas yang lebih besar dari cairan murni maka partikel-partikel akan
mengalami gaya listrik:
(
)
2ε2 = pemitivitas butiran padat
r = jari-jari butiran padat
E = kuat medan listrik
Karena tingginya permitivitas air (kira-kira 80), maka gaya listrik yang
dialami partikel ini sangatlah besar bila partikel-partikel bersifat basah atau lembab.
Apabila nilai ε2 lebih besar dari ε1, maka arah gaya yang dialami butiran padat searah
dengan arah medan listrik. Kondisi ini (ε2 > ε1) terjadi bila timbul partikel-partikel padat seperti kertas dalam dielektrik cair. Bila ε2 lebih kecil dari ε1, maka arah gaya
yang dialami butiran padat berlawanan dengan arah medan listrik. Kondisi ini (ε2< ε1) terjadi bila dalam dielektrik cair hanya timbul gelembung gas. Gaya pada partikel
padat tersebut menuju ke arah medan listrik yang lebih kuat.
Jika jumlah partikel yang ada semakin besar jumlahnya, maka partikel-partikel
itu berbaris sambung menyambung sampai menjembatani elektroda sehingga terjadi
tembus listrik. Tembus ini terjadi karena adanya jembatan serat yang
menghubung-singkatkan antara kedua elektroda.
Kekuatan dielektrik untuk cairan yang mengandung partikel butiran padat
pengotor akan menurunkan kekuatan tembus dan makin besar ukuran partikel makin
rendah kekuatan tembus listrik zat cair itu.
Gambar 3.10. Ilustrasi tembus listrik pada zat cair
yang mengandung butiran padat
Jika butiran padat bersifat konduktor, maka nilai ε2 adalah tak terhingga, sehingga persamaan di atas menjadi :
2 3
2 1
E grad r
F = ... ...3.4
III.3.4.Teori Kegagalan Bola Cair
Dalam dielektrik cair dapat terjadi bola air. Untuk peralatan yang bekerja pada
kondisi normal, kelembaban/kandungan air dibatasi lebih kecil dari 0,001% atau
sekitar 20 ppm (part permillion = bagian persejuta). Adanya medan listrik akan
menimbulkan bola air (gelembung cair) memanjang searah medan listrik. Ketika
mencapai medan listrik kritis, gelembung cair ini menjadi tidak stabil sehingga bola
cair menjadi lonjong dan makin lama makin besar. Bola cair yang tidak stabil akan
memanjang dan jika telah memenuhi dua pertiga dari celah elektroda maka timbul
kanal peluahan sehingga akhirnya dielektrik cair tembus listrik. V
E
Gambar 3.11. Ilustrasi tembus listrik pada bola cair
Jika bola cair bersifat konduktif, maka kuat medan listrik yang menyebabkan
bola cair tidak stabil adalah:
1 7 , 487
ε σ
r
E = V/cm ... ...3.5
di mana : σ = gaya tegang permukaan zat cair (dyne/cm)
r = radius bola cair (cm)
ε1 = permitivitas relatif zat cair
III.4. Tegangan Tembus Listrik Pada Dielektrik Padat
Kekuatan dielektrik suatu bahan isolasi padat saat pengujian dipengaruhi oleh
beberapa hal seperti :
1. Tekanan
2. Suhu
3. Jenis bahan elektroda
4. Ketidakmurnian bahan
5. Ada tidaknya rongga udara
6. Konfigurasi medan elektrik
7. Bentuk tegangan yang dikenakan
8. Umur bahan
Mekanisme kegagalan bahan isolasi padat terdiri dari beberapa jenis sesuai
fungsi waktu penerapan tegangannya. Hal ini dapat dilihat pada gambar 3.12. berikut
ini.
Gambar 3.12 Grafik kegagalan isolasi
Lamanya waktu terjadinya kegagalan pada suatu bahan isolasi tergantung
kepada tegangan kegagalan. Pada gambar 3.12 di atas dapat dilihat bahwa makin
tinggi tegangan kegagalan maka makin singkat waktu terjadinya kegagalan tersebut.
Hal ini sesuai dengan pokok yang berlaku dalam bidang tegangan tinggi.
III.4.1. Kegagalan Asasi
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 mencapai nilai tertentu
yaitu 10 8 volt/cm dalam waktu yang sangat singkat yaitu 10-8 dedtik.
III.4.2. Kegagalan Elektromekanik
Kegagalan elektromekanik adalah kegagalan yang disebabkan oleh adanya
perbedaan polaritas antara elektroda yang mengapit zat isolasi padat sehingga tuimbul
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.
III.4.3. Kegagalan Streamer
Kegagalan ini dapat terjadi dalam medan yang benar-benar seragam dengan
elektroda-elektroda terbenam dalam zat padat. Di bawah pengaruh medan listrik
elektron yang terdapat pada katoda memperoleh energi sehingga elektron tersebut
bergerak menuju anoda. Dalam perjalanan menuju anoda elektron akan membentur
molekul dielektrik padat. Peristiwa ini menyebabkan sebuah elektron bebas
bertambah dalam daerah medan. Benturan akan diulangi oleh kedua elektron yang
III.4.4. Kegagalan Termal
Kegagalan termal adalah kegagalan yang terjadi jika kecepatan pembangkitan
panas di suatu titik dalam bahan melebihi laju kecepatan pembuangan panas keluar.
Akibatnya keadaan tidak stabil sehingga pada suatu saat bahan mengalami kegagalan.
III.4.5. Kegagalan Erosi
Kegagalan erosi adalah kegagalan yang disebabkan zat isolasi tidak sempurna,
karena adanya lubang-lubang atau rongga dalam bahan isolasi padat tersebut. Lubang
atau rongga tersebut akan diisi oleh gas atau cairan yang kekuatan dielektriknya lebih
BAB IV
PENGARUH PELAPISAN DIELEKTRIK MINYAK PADA DIELEKTRIK PLASTIK TERHADAP TEGANGAN TEMBUS AC
IV.1. Umum
Plastik dan minyak merupakan dua jenis dielektrik yang berbeda. Plastik dan
minyak sering digunakan sebagai bahan dielektrik pada kapasitor. Plastik yang
disusun berlapis akan memberikan ketahanan terhadap tegangan tembus yang lebih
tinggi dibandingkan plastik yang terdiri dari satu lapis saja untuk jenis dan ketebalan
yang sama dan dengan pelapisan minyak pada tiap lapisnya akan memberi
penambahan kekuatan dielektrik yang lebih besar.
Dalam penelitian tugas akhir ini, pengaruh dari pelapisan minyak pada plastik
akan lebih ditekankan pada pengambilan data mengenai tegangan tembus dan umur
dielektrik uji dalam setiap penambahan tekanan beban pada dielektrik.
Pada bab ini akan dijelaskan penelitian mengenai pengaruh pelapisan minyak
pada plastik yang telah dilakukan di Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi, Fakultas
Teknik, Universitas Sumatra Utara.
IV.2. Peralatan Yang Digunakan
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah :
1. High Voltage Test Set Model ET-51D (1 unit).
2.Tahanan peredam 43 kΩ (1 unit).
3. Minyak transformator baru merek NYNAS (2,5 L).
4. Plastik termoplas jenis Polietylen Low Density (1 set).
6. Jangka sorong (1 unit)
7. Barometer dan termometer (1 unit).
8. Kabel (1 unit).
IV.3. Rangkaian Percobaan
Adapun rangkaian percobaan yang dilakukan adalah sebagai berikut :
R p
V
S1 S 2
A T T U
P T A
K
B enda U ji
V in W adah pengujian
Gambar 4.1. Rangkaian pengujian tegangan tembus listrik pada plastik
sebelum dan sesudah diberi minyak.
Keterangan :
S1 : saklar CB S2 : Saklar HVTS
AT : Autotrafo TU : Trafo uji
Rp : Tahanan Peredam PT : Trafo ukur
A : Anoda K : Katoda
IV.4. Prosedur Percobaan
IV.4.1. Prosedur Percobaan Tegangan Tembus Pada Plastik
Adapun prosedur percobaan adalah sebagai berikut :
1. Rangkaian percobaan disusun seperti gambar di atas.
2. Plat sejajar dipasang dan diusahakan seluruh permukaan saling menempel.
3. Saklar pada kotak panel diposisikan on.
4. Volt meter diset pada posisi on.
5. Plastik disediakan secukupnya berbentuk lingkaran dengan diameter 10 cm
kemudian disusun sebanyak tiga lapis.
6. Untuk percobaan pertama, benda uji adalah plastik tanpa minyak.
7. Plastik berlapis diletakkan tepat di tengah elektroda.
8. Mula-mula pengujian pertama pada Anoda tidak diberi pemberat, kemudian
diberi pemberat sebesar 0,5 kg, 1 kg, 1,5 kg, 2 kg dan 2,5 kg.
9. High Voltage Test Set dihidupkan.
10.Tegangan masukan dinaikkan dengan memutar engkol penggerak voltage
regulator secara perlahan-lahan dengan kecepatan 2 kV/detik.
11.Ketika terjadi tembus listrik pada plastik, High Voltage Test Set dimatikan.
12.Nilai tegangan pada voltmeter yang terjadi saat tembus listrik dicatat. Engkol
penggerak voltage regulator dikembalikan ke posisi semula dan permukaan
plat dibersihkan dengan kain bersih.
13.Untuk pengujian berikutnya maka diulangi sesuai dengan langkah tujuh
sampai dua belas.
14.Pengujian untuk tiap pemberat dilakukan sebanyak lima kali.
15.Untuk percobaan kedua, benda uji adalah plastik yang diletakkan dalam
16.Wadah yang telah disediakan diisi dengan minyak transformator secukupnya.
17.Plastik uji berlapis tiga terlebih dahulu diminyaki dengan minyak yang sama
pada wadah yang lain.
18.Kemudian plastik berminyak berlapis tiga tadi dimasukkan dalam wadah yang
telah diisi dengan minyak dan diletakkan tepat diantara kedua elektroda.
19.Mula-mula pengujian pertama pada Anoda tidak diberi pemberat, kemudian
diberi pemberat sebesar 0,5 kg, 1 kg, 1,5 kg, 2 kg dan 2,5 kg.
20.High Voltage Test Set dihidupkan.
21.Tegangan masukan dinaikkan dengan memutar engkol penggerak voltage
regulator secara perlahan-lahan dengan kecepatan 2 kV/detik
22.Ketika terjadi tembus listrik pada plastik, High Voltage Test Set dimatikan.
23.Nilai tegangan pada voltmeter yang terjadi saat tembus listrik dicatat. Engkol
penggerak voltage regulator dikembalikan ke posisi semula.
24.Sebelum dilakukan percobaan berikutnya, tunggu tiga menit agar partikel
padat yang terbentuk, turun.
25.Untuk pengujian berikutnya maka diulangi sesuai dengan langkah tujuh belas
sampai dua puluh empat.
26.Pengujian untuk tiap pemberat dilakukan sebanyak lima kali.
27.Saklar pada kotak panel dan voltmeter di-offkan
28.Percobaan selesai.
IV.4.3. Prosedur Percobaan Waktu Tembus Listrik Pada Plastik
Adapun prosedur percobaan adalah sebagai berikut :
1. Rangkaian percobaan disusun seperti gambar di atas.
3. Saklar pada kotak panel diposisikan on.
4. Volt meter diset pada posisi on.
5. Plastik disediakan secukupnya berbentuk lingkaran dengan diameter 10 cm
kemudian disusun sebanyak tiga lapis.
6. Untuk percobaan pertama, benda uji adalah plastik tanpa minyak.
7. Plastik berlapis diletakkan tepat di tengah elektroda.
8. Mula-mula pengujian pertama pada Anoda tidak diberi pemberat, kemudian
diberi pemberat sebesar 0,5 kg, 1 kg, 1,5 kg, 2 kg dan 2,5 kg.
9. High Voltage Test Set dihidupkan, Stopwatch diset pada posisi on.
10.Tegangan masukan dinaikkan sampai pada 6,125 kV (25 kV : pada alat ukur)
dengan memutar engkol penggerak voltage regulator secara perlahan-lahan
dengan kecepatan 2 kV/detik.
11.Bila tegangan masukan telah sampai pada batas yang diinginkan, stopwatch
dijalankan.
12.Ketika terjadi tembus listrik pada plastik, High Voltage Test Set dimatikan dan
stopwatch dihentikan.
13.Waktu yang tertera pada stopwatch dicatat. Engkol penggerak voltage
regulator dikembalikan ke posisi semula dan permukaan plat dibersihkan
dengan kain bersih.
14.Untuk pengujian berikutnya maka diulangi sesuai dengan langkah tujuh
sampai tiga belas.
15.Pengujian untuk tiap pemberat dilakukan sebanyak lima kali.
16.Untuk percobaan kedua, benda uji adalah plastik yang diletakkan dalam
minyak transformator.
18.Plastik uji berlapis tiga terlebih dahulu diminyaki dengan minyak yang sama
pada wadah yang lain.
19.Plastik berminyak berlapis tiga dimasukkan dalam wadah yang telah diisi
dengan minyak dan diletakkan tepat diantara kedua elektroda.
20.Mula-mula pengujian pertama pada Anoda tidak diberi pemberat, kemudian
diberi pemberat sebesar 0,5 kg, 1 kg, 1,5 kg, 2 kg dan 2,5 kg.
21.High Voltage Test Set dihidupkan, Stopwatch diset pada posisi on.
22.Tegangan masukan dinaikkan sampai pada 6,125 kV (25 kV : pada alat ukur)
dengan memutar engkol penggerak voltage regulator secara perlahan-lahan
dengan kecepatan 2 kV/detik.
23.Bila tegangan masukan telah sampai pada batas yang diinginkan, stopwatch
dijalankan.
24.Ketika terjadi tembus listrik pada plastik, High Voltage Test Set dimatikan dan
stopwatch dihentikan.
25.Waktu yang tertera pada stopwatch dicatat. Engkol penggerak voltage
regulator dikembalikan ke posisi semula
26.Untuk pengujian berikutnya maka diulangi sesuai dengan langkah delapan
belas sampai dua puluh lima.
27.Pengujian untuk tiap pemberat dilakukan sebanyak lima kali.
28.Saklar pada kotak panel dan voltmeter di-offkan
IV.5. Data Percobaan
IV.5.1. Data Percobaan Tegangan Tembus Pada Plastik
Tebal Plastik = 3 x 0,03 mm = 0,09 mm
Tabel 4.1. Data percobaan tegangan tembus listrik pada plastik tanpa minyak
2. Dengan Minyak
IV.5.2. Data Percobaan Waktu Tembus Listrik Pada Plastik
Tabel 4.3. Data percobaan waktu tembus listrik pada plastik tanpa minyak
2. Dengan Minyak
IV.6. Analisa Data
IV.6.1. Analisa Data Percobaan Tegangan Tembus Listrik Pada Plastik
Skala alat ukur = 1/4
Vt(rata-rata) = x14
n Vt
∑
...………….……... 4.1Dimana: n = Jumlah percobaan pada tiap pemberat
1. Tegangan tembus Vt (kV) pada plastik tanpa minyak
• Untuk tanpa pemberat
Vt(rata-rata) = x kV
Dan dengan cara yang sama, akan diperoleh Vt rata-rata seperti dalam Tabel 4.5 di
bawah ini;
Tabel 4.5. Tegangan tembus rata-rata tiap penambahan berat pada plastik tanpa
minyak
2. Tegangan tembus Vt (kV) pada plastik dengan minyak
Vt(rata-rata) = x kV
Dan dengan cara yang sama, akan diperoleh Vt rata-rata seperti dalam Tabel 4.6 di
bawah ini;
Tabel 4.6. Tegangan tembus rata-rata tiap penambahan pemberat pada plastik
berminyak
IV.6.2. Analisa Data Waktu Tembus Listrik Pada Plastik
Skala alat ukur = 1/4
Vt = 25 kV x ¼ = 6,125 kV
1. Waktu tembus listrik pada plastik tanpa minyak
• Untuk tanpa pemberat
T (rata-rata) = 3,06det
Dengan cara yang sama, akan diperoleh nilai T(rata-rata) untuk setiap penambahan berat
