SISTEM ISOLASI
SISTEM ISOLASI
SIFAT ISOLASI DAN PROSES KEGAGALAN BAHAN
SIFAT ISOLASI DAN PROSES KEGAGALAN BAHAN
ISOLASI PADAT
ISOLASI PADAT
Oleh : Oleh :
M.
M. Anas Anas Wirawan Wirawan : : D400030067D400030067
Aji
Aji Purnomo Purnomo :D400080021:D400080021
FAKULTAS TEKNIK
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2010
2010
SIFAT ISOLASI SIFAT ISOLASI
Salah satu tujuan dari pengujian tegangan tinggi adalah untuk meneliti sifat-sifat elektris Salah satu tujuan dari pengujian tegangan tinggi adalah untuk meneliti sifat-sifat elektris dielektrik bahan yang telah dipakai sebagai bahan isolasi peralatan listrik maupun yang masih dielektrik bahan yang telah dipakai sebagai bahan isolasi peralatan listrik maupun yang masih dalam tahap penelitian. Adapun sifat-sifat elektrik bahan dielektrik adalah :
dalam tahap penelitian. Adapun sifat-sifat elektrik bahan dielektrik adalah : 1.
1. Kekuatan Dielektrik Kekuatan Dielektrik 2.
2. KonduktansiKonduktansi 3.
3. Rugi-rugi Dielektrik Rugi-rugi Dielektrik 4.
4. Tahanan Isolasi, danTahanan Isolasi, dan 5.
5. Peluahan ParsialPeluahan Parsial
Suatu bahan dielektrik tidak mempunyai elektron bebas, tetapi mempunyai Suatu bahan dielektrik tidak mempunyai elektron bebas, tetapi mempunyai elektron-elektron yang terikat pada inti atom unsur yang membentuk dielektrik tersebut. Pada Gambar 2.1 elektron yang terikat pada inti atom unsur yang membentuk dielektrik tersebut. Pada Gambar 2.1 diperlihatkan suatu bahan dielektrik yang ditempatkan di antara dua elektroda piring sejajar. Bila diperlihatkan suatu bahan dielektrik yang ditempatkan di antara dua elektroda piring sejajar. Bila elektroda diberi tegangan searah, maka timbul medan elektrik (E) di dalam dielektrik. Medan elektroda diberi tegangan searah, maka timbul medan elektrik (E) di dalam dielektrik. Medan elektrik ini memberi gaya kepada elektron-elektron agar terlepas dari ikatannya dan menjadi elektrik ini memberi gaya kepada elektron-elektron agar terlepas dari ikatannya dan menjadi elektron bebas. Dengan kata lain, medan elektrik merupakan suatu beban bagi dielektrik yang elektron bebas. Dengan kata lain, medan elektrik merupakan suatu beban bagi dielektrik yang menekan dielektrik agar berubah menjadi konduktor.
menekan dielektrik agar berubah menjadi konduktor.
Beban yang dipikul dielektrik ini disebut juga terpaan medan elektrik (Volt/cm). Setiap Beban yang dipikul dielektrik ini disebut juga terpaan medan elektrik (Volt/cm). Setiap dielektrik mempunyai batas kekuatan untuk memikul terpaan elektrik.
dielektrik mempunyai batas kekuatan untuk memikul terpaan elektrik.
Gambar 2.1
Gambar 2.1 Terpaan Elektrik Dalam Dielektrik Terpaan Elektrik Dalam Dielektrik
Elektroda Elektroda Elektroda Elektroda Dielektrik Dielektrik + + E E V V
--Jika terpaan elektrik yang dipikulnya melebihi batas yang diizinkan dan berlangsung Jika terpaan elektrik yang dipikulnya melebihi batas yang diizinkan dan berlangsung cukup lama, maka dielektrik akan menghantarkan arus atau gagal melaksanakan fungsinya cukup lama, maka dielektrik akan menghantarkan arus atau gagal melaksanakan fungsinya sebagai isolator. Dalam hal ini dielektrik dikatakan tembus listrik atau "breakdown". Terpaan sebagai isolator. Dalam hal ini dielektrik dikatakan tembus listrik atau "breakdown". Terpaan elektrik tertinggi yang dapat dipikul suatu dielektrik tanpa menimbulkan dielektrik tembus listrik elektrik tertinggi yang dapat dipikul suatu dielektrik tanpa menimbulkan dielektrik tembus listrik disebut kekuatan dielektrik.
disebut kekuatan dielektrik.
Kegagalan Bahan Isolasi Padat Kegagalan Bahan Isolasi Padat
Mempelajari kegagalan yang terjadi pada benda padat adalah sangat penting. Pada benda Mempelajari kegagalan yang terjadi pada benda padat adalah sangat penting. Pada benda padat, apabila terjadi kegagalan, maka ia adalah kegagalan permanen, karena ia termasuk bahan padat, apabila terjadi kegagalan, maka ia adalah kegagalan permanen, karena ia termasuk bahan yang non-self restoring. Sebaliknya untuk benda cair dan gas, bila terjadi kegagalan maka yang non-self restoring. Sebaliknya untuk benda cair dan gas, bila terjadi kegagalan maka kegagalan ini adalah kegagalan yang sementara. Sesudah beberapa lama maka kekuatannya akan kegagalan ini adalah kegagalan yang sementara. Sesudah beberapa lama maka kekuatannya akan kembali lagi. Bahan ini termasuk bahan yang self restoring.
kembali lagi. Bahan ini termasuk bahan yang self restoring.
Beberapa kegagalan pada benda padat dapat digolongkan seperti berikut : Beberapa kegagalan pada benda padat dapat digolongkan seperti berikut : a. Kegagalan Intrinsik (asasi) dan elektro mekanik
a. Kegagalan Intrinsik (asasi) dan elektro mekanik b. Kegagalan streamer b. Kegagalan streamer c. Kegagalan termal c. Kegagalan termal d. Kegagalan erosi d. Kegagalan erosi
Mekanisme kegagalan bahan isolasi padat terdiri dari beberapa jenis sesuai fungsi waktu Mekanisme kegagalan bahan isolasi padat terdiri dari beberapa jenis sesuai fungsi waktu penerapan tegangannya. Hal ini dapat dilihat sebagai berikut :
penerapan tegangannya. Hal ini dapat dilihat sebagai berikut :
Gambar 4.1 Grafik Kegagalan Isolasi Gambar 4.1 Grafik Kegagalan Isolasi
Kegagalan asasi (intrinsik) Kegagalan asasi (intrinsik)
Kegagalan asasi (intrinsik) adalah kegagalan yang disebabkan oleh jenis dan suhu bahan ( Kegagalan asasi (intrinsik) adalah kegagalan yang disebabkan oleh jenis dan suhu bahan ( dengan menghilangkan pengaruh luar seperti tekanan, bahan elektroda, ketidakmurnian, kantong dengan menghilangkan pengaruh luar seperti tekanan, bahan elektroda, ketidakmurnian, kantong kantong udara. Kegagalan ini terjadi jika tegangan yang dikenakan pada bahan dinaikkan kantong udara. Kegagalan ini terjadi jika tegangan yang dikenakan pada bahan dinaikkan sehingga tekanan listriknya mencapai nilai tertentu yaitu 106 volt/cm dalam waktu yang sangat sehingga tekanan listriknya mencapai nilai tertentu yaitu 106 volt/cm dalam waktu yang sangat singkat yaitu 10-8 detik. Kegagalan intrinsik terjadi jika diterapkan tegangan tinggi pada lapisan singkat yaitu 10-8 detik. Kegagalan intrinsik terjadi jika diterapkan tegangan tinggi pada lapisan dielektrik yang tipis. Hal ini terjadi pada waktu yang singkat dan disebabkan karena medan dielektrik yang tipis. Hal ini terjadi pada waktu yang singkat dan disebabkan karena medan listrik
listrik yang yang tinggi tinggi V/cm V/cm dimana dimana elektron elektron mendapatkan mendapatkan energi energi dari dari tegangan tegangan luar luar sehinggasehingga melintasi celah yang terlarang (
melintasi celah yang terlarang ( forbidden energy gap forbidden energy gap) sampai kelapisan konduksi. Adapun sifat) sampai kelapisan konduksi. Adapun sifat dari kegagalan ini adalah:
dari kegagalan ini adalah: a.
a. Terjadi pada suhu yang rendah, suhu kamar atau lebih rendah. KekuatanTerjadi pada suhu yang rendah, suhu kamar atau lebih rendah. Kekuatan kegagalan tidak bergantung pada bentuk gelombang dari tegangan yang diterapkan dan kegagalan tidak bergantung pada bentuk gelombang dari tegangan yang diterapkan dan terjadi pada waktu yang singkat.
terjadi pada waktu yang singkat. b.
b. Kegagalan tergantung pada bentuk, besar dan spesimen dan bentuk dariKegagalan tergantung pada bentuk, besar dan spesimen dan bentuk dari kegagalan.
kegagalan.
Kegagalan elektromekanik Kegagalan elektromekanik
Kegagalan elektromekanik adalah kegagalan yang disebabkan oleh
Kegagalan elektromekanik adalah kegagalan yang disebabkan oleh adanya perbedaanadanya perbedaan polaritas antara elektroda yang mengapit zat isolasi padat sehingga timbul tekanan listrik pada polaritas antara elektroda yang mengapit zat isolasi padat sehingga timbul tekanan listrik pada bahan tersebut. Tekanan listrik yang terjadi menimbulkan tekanan mekanik yang menyebabkan bahan tersebut. Tekanan listrik yang terjadi menimbulkan tekanan mekanik yang menyebabkan timbulnya tarik menarik antara kedua elektroda tersebut. Pada tegangan 106 volt/cm timbulnya tarik menarik antara kedua elektroda tersebut. Pada tegangan 106 volt/cm menimbulkan tekanan mekanik 2 s.d 6 kg/cm2. Tekanan atau tarikan mekanis ini berupa gaya menimbulkan tekanan mekanik 2 s.d 6 kg/cm2. Tekanan atau tarikan mekanis ini berupa gaya yang bekerja pada zat padat berhubungan dengan Modulus Young
yang bekerja pada zat padat berhubungan dengan Modulus Young
Dengan rumus Stark dan Garton Dengan rumus Stark dan Garton
Jika
Jika kekuatan kekuatan asasi asasi (intrinsik) (intrinsik) tidak tidak tercapai tercapai pada pada maka maka zat zat isolasi isolasi akan akan gagalgagal bila tegangan V dinaikkan lagi. Jadi kekuatan listrik maksimumnya
bila tegangan V dinaikkan lagi. Jadi kekuatan listrik maksimumnya
F
F :gaya :gaya yang yang bekerja bekerja pada pada zat zat padatpadat D
D L L : : pertambahan pertambahan panjang panjang zat zat padatpadat L
L :panjang :panjang zat zat padatpadat A
A :pertambahan :pertambahan zat zat yang yang dikenai dikenai gayagaya d0
d0 :tebal :tebal zat zat padat padat sebelum sebelum dikenai dikenai tegangan tegangan VV d
d :tebal :tebal setelah setelah dikenai dikenai tegangan tegangan V V dan dan e e 0e 0e r:permitivitasr:permitivitas
Kegagalan streamer Kegagalan streamer
Kegagalan streamer adalah kegagalan yang terjadi sesudah suatu banjiran
Kegagalan streamer adalah kegagalan yang terjadi sesudah suatu banjiran (avalance).(avalance). Sebuah elektron yang memasuki band conduction di katoda akan bergerak menuju anoda Sebuah elektron yang memasuki band conduction di katoda akan bergerak menuju anoda dibawah pengaruh medan memperoleh energi antara benturan dan kehilangan energi pada waktu dibawah pengaruh medan memperoleh energi antara benturan dan kehilangan energi pada waktu membentur. Jika lintasan bebas cukup panjang maka tambahan energi yang diperoleh melebihi membentur. Jika lintasan bebas cukup panjang maka tambahan energi yang diperoleh melebihi pengionisasi latis (latice). Akibatnya dihasilkan tambahan elektron pada saat terjadi benturan. pengionisasi latis (latice). Akibatnya dihasilkan tambahan elektron pada saat terjadi benturan. Jika suatu tegangan V dikenakan terhadap elektroda bola, maka pada media yang berdekatan Jika suatu tegangan V dikenakan terhadap elektroda bola, maka pada media yang berdekatan (gas atau udara) timbul tegangan. Karena gas mempunyai permitivitas lebih rendah dari zat padat (gas atau udara) timbul tegangan. Karena gas mempunyai permitivitas lebih rendah dari zat padat sehingga gas akan mengalami tekanan listrik yang besar. Akibatnya gas tersebut akan mengalami sehingga gas akan mengalami tekanan listrik yang besar. Akibatnya gas tersebut akan mengalami kegagalan sebelum zat padat mencapai kekuatan asasinya. Karean kegagalan tersebut maka akan kegagalan sebelum zat padat mencapai kekuatan asasinya. Karean kegagalan tersebut maka akan jatuh sebuah muatan pada permukaan zat padat sehingga medan yang tadinya seragam akan jatuh sebuah muatan pada permukaan zat padat sehingga medan yang tadinya seragam akan terganggu. Bentuk muatan pada ujung pelepasan ini dalam keadaan tertentu dapat menimbulkan terganggu. Bentuk muatan pada ujung pelepasan ini dalam keadaan tertentu dapat menimbulkan medan lokal yang cukup tinggi (sekitar 10 MV/cm). Karena medan ini melebihi kekuatan medan lokal yang cukup tinggi (sekitar 10 MV/cm). Karena medan ini melebihi kekuatan intrinsik maka akan terjadi kegagalan pada zat padat. Proses kegagalan ini terjadi sedikit demi intrinsik maka akan terjadi kegagalan pada zat padat. Proses kegagalan ini terjadi sedikit demi sedikit yang dapat menyebabkan kegagalan total.
sedikit yang dapat menyebabkan kegagalan total.
Kegagalan termal Kegagalan termal
Kegagalan termal, adalah kegagalan yang terjadi jika kecepatan
Kegagalan termal, adalah kegagalan yang terjadi jika kecepatan pembangkitan panas dipembangkitan panas di suatu titik dalam bahan melebihi laju kecepatan pembuangan panas keluar. Akibatnya terjadi suatu titik dalam bahan melebihi laju kecepatan pembuangan panas keluar. Akibatnya terjadi keadaan tidak stabil sehingga pada suatu saat bahan mengalami kegagalan. Gambar kegagalan keadaan tidak stabil sehingga pada suatu saat bahan mengalami kegagalan. Gambar kegagalan ini ditunjukkan seperti
Gambar 4.2 Kegagalan Termal Gambar 4.2 Kegagalan Termal
Dalam hukum konversi energi : Dalam hukum konversi energi : U0 = U1+U2, dimana
U0 = U1+U2, dimana U0
U0 :panas :panas yang yang dibangkitkandibangkitkan U1
U1 :panas :panas yang yang disalurkan disalurkan keluarkeluar U2
U2 :panas :panas yang yang menaikkan menaikkan suhu suhu bahan bahan atauatau dimana : dimana : Cv : panas spesifik Cv : panas spesifik k : konduktivitas termal k : konduktivitas termal d : konduktivitas listrik d : konduktivitas listrik E: tekanan listrik. E: tekanan listrik.
Pada arus bolak balik terdapat hubungan langsung antara konduktivitas dengan dengan Pada arus bolak balik terdapat hubungan langsung antara konduktivitas dengan dengan frekuensi dan permitivitas yaitu :
frekuensi dan permitivitas yaitu :
s = w 1e 0 e r dan e r = e r' + j e r s = w 1e 0 e r dan e r = e r' + j e r
dimana e 0 : konstanta dielektrik dan e r permitivitas relatif. dimana e 0 : konstanta dielektrik dan e r permitivitas relatif.
Karena adanya faktor ini, maka rugi rugi pada medan arus bolak balik lebih besar dari arus Karena adanya faktor ini, maka rugi rugi pada medan arus bolak balik lebih besar dari arus searah. Akibatnya kuat gagal termal pada tegangfan AC lebih kecil daripda kuat gagal termal searah. Akibatnya kuat gagal termal pada tegangfan AC lebih kecil daripda kuat gagal termal medan arus DC. Kuat gagal termal untuk medan bolak balik juga menurun dengan naiknya medan arus DC. Kuat gagal termal untuk medan bolak balik juga menurun dengan naiknya frekuensi tegangan.
frekuensi tegangan.
Kegagalan Erosi Kegagalan Erosi
Pada pembuatan suatu isolasi dari kabel bawah tanah dan alat lainnya kadang-kadang Pada pembuatan suatu isolasi dari kabel bawah tanah dan alat lainnya kadang-kadang tidak sempurna, sehingga sering terdapat rongga dalam isolasi. Rongga ini berisi udara atau tidak sempurna, sehingga sering terdapat rongga dalam isolasi. Rongga ini berisi udara atau
benda lain, yang mempunyai kekuatan medan atau kekuatan dielektrik yang berbeda dengan benda lain, yang mempunyai kekuatan medan atau kekuatan dielektrik yang berbeda dengan kekuatan dielektrik dari bahan isolasi. Bila rongga berisi udara maka akan terdapat konsentrasi kekuatan dielektrik dari bahan isolasi. Bila rongga berisi udara maka akan terdapat konsentrasi medan listrik. Karena itu, pada nilai tegangan normal kekuatan medan pada rongga dapat bernilai medan listrik. Karena itu, pada nilai tegangan normal kekuatan medan pada rongga dapat bernilai melebihi kekuatan kegagalan, sehingga dapat menyebabkan terjadinya kegagalan. Kekuatan melebihi kekuatan kegagalan, sehingga dapat menyebabkan terjadinya kegagalan. Kekuatan medan dalam reongga ditentukan oleh perbandingan dari permitivitas dan bentuk rongga. Pada medan dalam reongga ditentukan oleh perbandingan dari permitivitas dan bentuk rongga. Pada setiap pelepasan muatan terjadilah panas, dan lama kelamaan muka dari rongga akan terjadi setiap pelepasan muatan terjadilah panas, dan lama kelamaan muka dari rongga akan terjadi karbonisasi dan dapat merusak susunan kimia isolasi dan terjadinya erosi
karbonisasi dan dapat merusak susunan kimia isolasi dan terjadinya erosi
Kegagalan Erosi, adalah kegagalan yang disebabkan zat isolasi pada tidak sempurna, Kegagalan Erosi, adalah kegagalan yang disebabkan zat isolasi pada tidak sempurna, karena adanya lubang lubang atau rongga dalam bahan isolasi padat tersebut. Lubang/rongga karena adanya lubang lubang atau rongga dalam bahan isolasi padat tersebut. Lubang/rongga akan terisi oleh gas atau cairan yang kekuatan gagalnya lebih kecil dari kekuatan zat padat. akan terisi oleh gas atau cairan yang kekuatan gagalnya lebih kecil dari kekuatan zat padat. Gambar kegagalan isolasi dan rangkaian ekivalennya ditunjukkan oleh gambar dibawah ini: Gambar kegagalan isolasi dan rangkaian ekivalennya ditunjukkan oleh gambar dibawah ini:
Gambar 4.3 Kegagalan erosi dan rangkaian Gambar 4.3 Kegagalan erosi dan rangkaian
Gambar 4.4 Bentuk Gelombang rongga isolasi ekivalen padat Gambar 4.4 Bentuk Gelombang rongga isolasi ekivalen padat
Untuk t <<< d yang mecerminkan keadaan sebenarnya, bila rongga terisi gas,
Untuk t <<< d yang mecerminkan keadaan sebenarnya, bila rongga terisi gas, makamaka tegangan pada C1 adalah V1= e r. t/dt Va
tegangan pada C1 adalah V1= e r. t/dt Va dimana :
dimana : C1
C2
C2 :Kapasitansi rongga :Kapasitansi rongga yang yang tebalnya tebalnya dd V1
V1 :Tegangan :Tegangan pada pada ronggarongga Va
Va :Tegangan :Tegangan terminalterminal e
e r r :Permitivitas :Permitivitas relatif relatif zat zat isolasi isolasi padatpadat
Jika tegangan AC yang dikenakan tidak menghasilkan kegagalan, maka bentuk gelombang Jika tegangan AC yang dikenakan tidak menghasilkan kegagalan, maka bentuk gelombang yang terjadi pada rongga adalah V1, tetapi jika V1 cukup besar, maka bisa terjadi kegagalan yang terjadi pada rongga adalah V1, tetapi jika V1 cukup besar, maka bisa terjadi kegagalan pada tegangan V1'. Pada saat terjadi lucutan dengan tegangan V1' maka pada rongga tersebut pada tegangan V1'. Pada saat terjadi lucutan dengan tegangan V1' maka pada rongga tersebut terjadi busur api. Busur api yang terjadi diiringi oleh jatuhnya tegangan sampai V1" dan terjadi busur api. Busur api yang terjadi diiringi oleh jatuhnya tegangan sampai V1" dan mengalirnya arus. Busur api kemudian padam. Tegangan pada rongga naik lagi sampai terjadi mengalirnya arus. Busur api kemudian padam. Tegangan pada rongga naik lagi sampai terjadi kegagalan berikutnya pada tegangan V1'. Hal ini juga terjadi pada setengah gelombang (negatif) kegagalan berikutnya pada tegangan V1'. Hal ini juga terjadi pada setengah gelombang (negatif) berikutnya. Rongga akan melucut pada waktu tegangan rongga mencapai -V1'. Pada waktu gas berikutnya. Rongga akan melucut pada waktu tegangan rongga mencapai -V1'. Pada waktu gas dala rongga gagal, permukaan zat isolasi padat merupakan katoda - anodadengan bentuk yang dala rongga gagal, permukaan zat isolasi padat merupakan katoda - anodadengan bentuk yang ditunjukkan seperti berikut:
ditunjukkan seperti berikut:
Gambar 4.5 Bentuk Gas dalam rongga saat mengalami kegagalan Gambar 4.5 Bentuk Gas dalam rongga saat mengalami kegagalan
Benturan elektron pada anoda mengakibatkan terlepasnya ikatan kimiawipada isolasi padat Benturan elektron pada anoda mengakibatkan terlepasnya ikatan kimiawipada isolasi padat tersebut. Demikian pula pemboman katoda oleh ion ion positif akan mengakibatkan kenaikan tersebut. Demikian pula pemboman katoda oleh ion ion positif akan mengakibatkan kenaikan suhu yang menyebabkan ketidakstabilan termal, sehingga dinding zat padat lama kelamaan suhu yang menyebabkan ketidakstabilan termal, sehingga dinding zat padat lama kelamaan menjadi rusak, rongga menjadi semakin besar dan isolasi menjadi tipis. Hubungan antara menjadi rusak, rongga menjadi semakin besar dan isolasi menjadi tipis. Hubungan antara tteeggaannggaan n lluuccuuttaan n ddaan n uummuur r ddiinnyyaattaakkaan n ddeennggaann ddiimmaanna a : : VVi i : : tteeggaannggaan n ddiimmaanna a mmuullaaii terjadi lucutan, Va : tegangan yang diterapkan n : nilai antara 3 dan 10 dan A adalah konstanta. terjadi lucutan, Va : tegangan yang diterapkan n : nilai antara 3 dan 10 dan A adalah konstanta.
Kegagalan Bahan Isolasi Padat Dalam Praktek Kegagalan Bahan Isolasi Padat Dalam Praktek
Terdapat beberapa jenis kegagalan yang tidak dapat dijelaskan baik dari
Terdapat beberapa jenis kegagalan yang tidak dapat dijelaskan baik dari kegagalankegagalan intrinsik maupun pada kegagalan termal, tetapi dalam kenyataannya, fenomena ini terjadi setelah intrinsik maupun pada kegagalan termal, tetapi dalam kenyataannya, fenomena ini terjadi setelah tegangan operasi ditingkatkan dalam waktu yang lama. Kegagalan ini, misalnya adanya tegangan operasi ditingkatkan dalam waktu yang lama. Kegagalan ini, misalnya adanya penjejakan karbon (
penjejakan karbon (trackingtracking) pada material padat porselin, terutama pada keadaan kering yang) pada material padat porselin, terutama pada keadaan kering yang menyebabkan terbentuknya celah konduksi pada permukaan isolasi. Penjejakan ini berperan menyebabkan terbentuknya celah konduksi pada permukaan isolasi. Penjejakan ini berperan sebagai celah konduksi pada permukaan isolator yang mendorong terjadinya kegagalan bertahap sebagai celah konduksi pada permukaan isolator yang mendorong terjadinya kegagalan bertahap di sepanjang permukaan isolator. Jenis kegagalan lainnya dalam kategori ini adalah kegagalan di sepanjang permukaan isolator. Jenis kegagalan lainnya dalam kategori ini adalah kegagalan elektron-kimia yang disebabkan oleh transformasi kimiawi, seperti elektrolisis, pembentukan elektron-kimia yang disebabkan oleh transformasi kimiawi, seperti elektrolisis, pembentukan ozon, dan lain-lain. Tambahan pula, kegagalan juga dapat terjadi dalam hal adanya pelepasan ozon, dan lain-lain. Tambahan pula, kegagalan juga dapat terjadi dalam hal adanya pelepasan muatan sebagian (partial discharge) yang terbentuk karena adanya kantong udara di dalam muatan sebagian (partial discharge) yang terbentuk karena adanya kantong udara di dalam isolator padat tersebut. Kegagalan jenis ini sangat penting diketahui, terutama panggunaan isolator padat tersebut. Kegagalan jenis ini sangat penting diketahui, terutama panggunaan isolator kertas yang digunakan pada kabel dan kapasitor tegangan tinggi.
isolator kertas yang digunakan pada kabel dan kapasitor tegangan tinggi.
Kegagalan Kimia Dan Elektro-kimia Kegagalan Kimia Dan Elektro-kimia
Kehadiran udara dan gas lainnya menyebabkan bahan isolasi padat
Kehadiran udara dan gas lainnya menyebabkan bahan isolasi padat mangalami perubahanmangalami perubahan struktur secara kimiawi yang dapat berlanjut pada tekanan listrik secara terus menerus yang pada struktur secara kimiawi yang dapat berlanjut pada tekanan listrik secara terus menerus yang pada akhirnya menyebabkan kegagalan isolasi.
akhirnya menyebabkan kegagalan isolasi.
Beberapa reaksi kimia penting yang terjadi adalah : Beberapa reaksi kimia penting yang terjadi adalah :
a.
a. OksidasiOksidasi : Kehadiran udara atau oksigen, pada material padat seperti karet dan: Kehadiran udara atau oksigen, pada material padat seperti karet dan polyethilene mengalami oksidasi yang dapat meyebabkan keretakan pada permukaan polyethilene mengalami oksidasi yang dapat meyebabkan keretakan pada permukaan isolator
isolator b.
b. Hidrolisis Hidrolisis : Ketika uap air dan embun muncul di atas permukaan suatu material padat,: Ketika uap air dan embun muncul di atas permukaan suatu material padat, maka hidrolisis akan terjadi dan material tersebut dan menyebabkan material akan maka hidrolisis akan terjadi dan material tersebut dan menyebabkan material akan kehilangan atau berkurang sifat listrik maupun sifat mekanisnya. Hidrolisis biasanya kehilangan atau berkurang sifat listrik maupun sifat mekanisnya. Hidrolisis biasanya terjadi pada material padat seperti kertas, kain dan beberapa material seluler akan terjadi pada material padat seperti kertas, kain dan beberapa material seluler akan mengalami perubahan sifat kimiawi yang sangat cepat. Perubahan kimia (
mengalami perubahan sifat kimiawi yang sangat cepat. Perubahan kimia (hidrolisishidrolisis) juga) juga terjadi pada material padat lainnya seperti plastik (
terjadi pada material padat lainnya seperti plastik ( polyethilene polyethilene) yang menyebabkan) yang menyebabkan penurunan umur pakai dari material tersebut (
penurunan umur pakai dari material tersebut (agingaging).). c.
c. Aksi Kimiawi Aksi Kimiawi. Meskipun tidak terdapat medan listrik yang tinggi, namun peningkatan. Meskipun tidak terdapat medan listrik yang tinggi, namun peningkatan penurunan sifat kimia pada material isolasi dapat menyebabkan terjadinya berbagai penurunan sifat kimia pada material isolasi dapat menyebabkan terjadinya berbagai
proses material isolasi dapat menyebabkan terjadinya berbagai proses ketidakstabilan proses material isolasi dapat menyebabkan terjadinya berbagai proses ketidakstabilan kimiawi karena adanya temperatur yang tinggi, oksidasi maupun terbentuknya ozon. kimiawi karena adanya temperatur yang tinggi, oksidasi maupun terbentuknya ozon. Meskipun material isolasi padat digunakan pada berbagai kepentingan penggunaan dan Meskipun material isolasi padat digunakan pada berbagai kepentingan penggunaan dan kondisi yang berbeda, reaksi kimia akan terjadi pada berbagai material yang dapat kondisi yang berbeda, reaksi kimia akan terjadi pada berbagai material yang dapat mandorong terjadinya penurunan sifat listrik maupun sifat mekanis yang pada akhirnya mandorong terjadinya penurunan sifat listrik maupun sifat mekanis yang pada akhirnya dapat menyebabkan terjadinya kegagalan isolasi. Efek elektro-kimia dan penurunan sifat dapat menyebabkan terjadinya kegagalan isolasi. Efek elektro-kimia dan penurunan sifat kimia material dapat diperkecil dengan cara mengkaji lebih mendalam dan melakukan kimia material dapat diperkecil dengan cara mengkaji lebih mendalam dan melakukan pengujian material secara lebih berhati-hati. Isolatornya yang terbuat dari bahan glass pengujian material secara lebih berhati-hati. Isolatornya yang terbuat dari bahan glass (campuran sodium) harus dihindarkan dari keadaan udara lembab dan basah, sebab (campuran sodium) harus dihindarkan dari keadaan udara lembab dan basah, sebab sodium dapat menyebabkan keadaan menjadi tidak stabil, sehingga soda yang dilepaskan sodium dapat menyebabkan keadaan menjadi tidak stabil, sehingga soda yang dilepaskan ke
ke permukaan permukaan akan akan menimbulkan menimbulkan pembentukan pembentukan suatu suatu alkali alkali kuat kuat yang yang akanakan menyebabkan penurunan sifat material secara menyeluruh.
menyebabkan penurunan sifat material secara menyeluruh.
Kegagalan Tracking Dan Treeing Kegagalan Tracking Dan Treeing
Jika suatu bahan isolasi padat diterapkan tekanan listrik dalam jangka
Jika suatu bahan isolasi padat diterapkan tekanan listrik dalam jangka waktu yang lamawaktu yang lama maka akan mengalami kegagalan. Secara umum, terdapat dua gejala yang dapat diamati pada maka akan mengalami kegagalan. Secara umum, terdapat dua gejala yang dapat diamati pada material tersebut, yaitu:
material tersebut, yaitu: a.
a. Adanya bagian konduksi pada permukaan isolator.Adanya bagian konduksi pada permukaan isolator. b.
b. Suatu mekanisme yang bekerja yang menyebabkan arus bocor melaluiSuatu mekanisme yang bekerja yang menyebabkan arus bocor melalui bagiankonduksi yang pada akhirnya mendorongke arah pembentukan suatu bagiankonduksi yang pada akhirnya mendorongke arah pembentukan suatu percikan (
percikan (dischargedischarge).).
Percikan yang terjadi akan menyebar selama proses penjejakan karbon (
Percikan yang terjadi akan menyebar selama proses penjejakan karbon (trackingtracking) dan) dan membentuk cabangcabang yang menyerupai pohon (
membentuk cabangcabang yang menyerupai pohon ( pepohonan pepohonan) yang dikenal dengan istilah) yang dikenal dengan istilah ““treetingtreeting”.”.
Fenomena pepohonan listrik (
Fenomena pepohonan listrik (treeingtreeing) dapat dijelaskan dengan menggunakan sebuah) dapat dijelaskan dengan menggunakan sebuah spesimen (
spesimen (conducting filmconducting film) yang diletakkan di antara dua elektroda. Dalam prakteknya, spesimen) yang diletakkan di antara dua elektroda. Dalam prakteknya, spesimen tersebut diberikan suatu cairan pelembab kemudian diterapkan tegangan, dan dalam waktu tersebut diberikan suatu cairan pelembab kemudian diterapkan tegangan, dan dalam waktu tertentu pada permukaan spesimen akan mengalami kekeringan. Pada saat yang sama terjadi tertentu pada permukaan spesimen akan mengalami kekeringan. Pada saat yang sama terjadi percikan yang dapat menyebabkan kerusakan pada permukaan material. Pada material padat percikan yang dapat menyebabkan kerusakan pada permukaan material. Pada material padat seperti kertas, akan terbentuk karbonisasi di daerah terjadinya percikan api, dan selanjutnya seperti kertas, akan terbentuk karbonisasi di daerah terjadinya percikan api, dan selanjutnya karbonisasi yang terbentuk akan bertindak sebagai saluran konduksi permanen yang karbonisasi yang terbentuk akan bertindak sebagai saluran konduksi permanen yang
kemudiannya dapat meningkatkan tekanan yang berlebihan. Proses ini adalah merupakan proses kemudiannya dapat meningkatkan tekanan yang berlebihan. Proses ini adalah merupakan proses kumulatif, dan isolator mengalami kegagalan akibat terjadinya jembatan karbon diantara kumulatif, dan isolator mengalami kegagalan akibat terjadinya jembatan karbon diantara elektroda. Fenomena ini dikenal
elektroda. Fenomena ini dikenal dengan istilah “dengan istilah “trackingtracking”.”.
Pada sisi yang lain, treeing terjadi karena erosi dari material pada ujung percikan. Erosi Pada sisi yang lain, treeing terjadi karena erosi dari material pada ujung percikan. Erosi mengakibatkan permukaan menjadi kasar, dan oleh sebab itu dapat menjadi sumber pengotoran mengakibatkan permukaan menjadi kasar, dan oleh sebab itu dapat menjadi sumber pengotoran dan pencemaran. Kejadian ini akan meningkatkan konduktivitas, dan pada sisi yang lain akan dan pencemaran. Kejadian ini akan meningkatkan konduktivitas, dan pada sisi yang lain akan membentuk jembatan antara bagian konduksi tadi dengan elektroda yang selanjutnya membentuk jembatan antara bagian konduksi tadi dengan elektroda yang selanjutnya mengakibatkan kegagalan mekanik (keretakan ) pada bahan isolator.
mengakibatkan kegagalan mekanik (keretakan ) pada bahan isolator. Umumnya,
Umumnya, trackingtracking terjadi pada tegangan yang rendah yaitu sekitar 100 V, sedangterjadi pada tegangan yang rendah yaitu sekitar 100 V, sedang treeingtreeing
terjadi pada tegangan tinggi.
terjadi pada tegangan tinggi. TreeingTreeing dapat dicegah melalui usaha membersihkan permukaandapat dicegah melalui usaha membersihkan permukaan material, menciptakan keadaan kering, dan pada permukaan yang halus (yang tidak terjadi material, menciptakan keadaan kering, dan pada permukaan yang halus (yang tidak terjadi kekasaran permukaan). Oleh karena itu pemilihan material harus didasarkan pada material yang kekasaran permukaan). Oleh karena itu pemilihan material harus didasarkan pada material yang mempunyai resistansi
mempunyai resistansi yang tinggi terhadap fenomena “yang tinggi terhadap fenomena “treeingtreeing”.”.
a
a bb
Gambar 4.6 Pepohonan (
Gambar 4.6 Pepohonan ( treeing treeing) listrik di dalam isolasi polimer (a) Proses awal) listrik di dalam isolasi polimer (a) Proses awal terbentunya
