UMUM SIFAT-SIFAT LISTRIK DIELEKTRIK

BAB II SIFAT-SIFAT LISTRIK DIELEKTRIK

II.1 UMUM

Dalam menentukan dimensi suatu sistem isolasi dibutuhkan pengetahuan yang pasti mengenai jenis, besaran, dan durasi tekanan dielektrik yang akan dialami bahan isolasi tersebut, dan disamping itu perlu mempertimbangkan kondisi sekitar di mana isolasi akan ditempatkan. Selain itu perlu juga diperhatikan sifat-sifat dari berbagai bahan isolasi sehingga dapat dipilih bahan-bahan yang tepat untuk untuk suatu sistem isolasi. Sifat-sifat bahan isolasi ditentukan pada keadaan kondisi standar. Adapun fungsi utama dari bahan isolasi adalah : a Untuk mengisolasi antara suatu penghantar dengan penghantar lainnya. Misalnya antara konduktor fasa dengan dengan konduktor fasa, atau konduktor fasa dengan tanah b Menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang diisolasi c Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan reaksi kimia. Tekanan yang diakibatkan medan elektrik, gaya mekanik, thermal maupun kimia dapat terjadi serentak, sehingga perlu diketahui efek bersama dari semua parameter tersebut. Dengan kata lain, suatu bahan isolasi dinyatakan ekonomis jika bahan tersebut dalam jangka waktu yang lama dapat menahan semua tekanan tersebut. Adapun sifat dielektrik yang dibutuhkan untuk suatu bahan isolasi yaitu: Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara a Mempunyai kekuatan dielektrik KD yang tinggi, agar dimensi sistem isolasi menjadi kecil dan penggunaan bahan semakin sedikit, sehingga harganya semakin murah b Rugi-rugi dielektriknya rendah, agar suhu badan isolasi tidak melebihi batas yang ditentukan c Memiliki kekuatan kerak tracking strenght tinggi, agar tidak terjadi erosi karena tekanan elektrik permukaan d Memiliki konstanta dielektrik yang tepat dan cocok, sehingga membuat arus pemuatan charging current tidak melebihi yang diijinkan. Bahan isolasi sekaligus juga merupakan bahan konstruksi peralatan. Oleh karena itu ia juga memikul beban mekanis, sehingga bahan isolasi harus memenuhi persyaratan mekanis yang dibutuhkan. Sifat mekanis yang dibutuhkan tergantung dengan pemakainnya. Peralatan-peralatan listrik akan mengalami kenaikan suhu selama beroperasi baik pada kerja normal maupun dalam kondisi gangguan, sehingga bahan isolasi harus memiliki sifat thermal sebagai berikut: a Kemampuan menahan panas tinggi daya tahan panas b Kerentanan terhadap perubahan bentuk pada keadaan panas c Konduktivitas panas yang tinggi d Koefisien muai panas rendah e Tidak mudah terbakar f Tahan terhadap tembus listrik dan busur api. Bahan isolasi harus dapat menyesuaikan diri terhadap lingkungan di mana bahan itu digunakan. Bahan isolasi yang digunakan tidak hanya dengan mengetahui sifat-sifatnya akan tetapi perlu dilakukan pengujian dan Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara bagaimana pengaruhnya jika ada polutan yang mengakibatkan bahan isolasi tersebut menjadi tidak murni. Karena jika bahan tersebut tidak murni akan mempengaruhi keandalaanya. Dan dalam tugas akhir ini udara dianggap sebagai polutan dari bahan isolasi tersebut. Tujuan dari pengujian tegangan tinggi adalah untuk meneliti sifat-sifat listrik dielektrik baik yang telah digunakan sebagai bahan isolasi peralatan listrik maupun masih dalam penelitian. Ada sifat-sifat listrik dielektrik yang perlu diketahui, yaitu: a Kekuatan dielektrik b Rugi-rugi dielektrik c Tahanan Isolasi d Kekuatan kerak isolasi tracking strength. Bahan isolasi sekaligus juga merupakan bahan konstruksi peralatan. Oleh karena itu ia juga memikul beban mekanis, sehingga bahan isolasi harus memenuhi persyaratan mekanis yang dibutuhkan. Berikut ini akan dijelaskan secara sederhana tentang apa yang dimaksud dengan keempat sifat-sifat diatas sehingga kita dapat memilih bahan apa yang harus dipilih untuh sistem pengisolasian ketika terjadinya tembus listrik pada peralatan listrik tersebut, pendingin, dan pemadaman busur api. II.2.KEKUATAN DIELEKTRIK Suatu dielektrik tidak mempunyai elektron-elektron bebas, melainkan elektron-elektron yang terikat pada inti atom unsur yang membentuk dielektrik tersebut. Pada Gambar II.2 ditunjukkan suatu bahan dielektrik yang ditempatkan diantara dua elektroda piring sejajar. Bila tegangan diberi tegangan searah V, maka timbul medan elektrik E didalam dielektrik. Medan elektrik ini Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara memberi gaya kepada elektron-elektron agar terlepas dari ikatannya dan menjadi elektron bebas. Dengan kata lain, medan elektrik merupakan suatu beban yang menekan dielektrik agar berubah sifat menjadi konduktor. Lihat gambar sebagai berikut ini: V + - E Elektroda Elektroda Dielektrik Gambar II.2 Medan Elektrik dalam Dielektrik Beban yang dipikul dielektrik ini disebut juga terpaan medan elektrik, satuannya dinyatakan dalam Voltcm. Setiap dielektrik mempunyai batas kekuatan untuk memikul terpaan dielektrik. Jika terpaan dielektrik yang dipikulnya melebihi batas tersebut dan terpaan berlangsung cukup lama, maka dielektrik akan menghantar arus atau gagal melaksanakan fungsinya sebagai isolator. Dalam hal ini dielektrik disebut tembus listrik atau “breakdown”. Terpaan dielektrik tertinggi yang dapat dipikul suatu dielektrik tanpa menimbulkan dielektrik tersebut tembus listrik disebut kekuatan dielektrik. Jika suatu dielektrik mempunyai kekuatan dielektrik E k , maka terpaan dielektrik yang dapat dipikulnya adalah lebih kecil samadengan dari E k. Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Jika terpaan elektrik yang dipikul dielektrik melebihi E k , maka di dalam dielektrik akan terjadi proses ionisasi berantai yang akhirnya dapat membuat dielektrik mengalami tembus listrik. Poses ini membutuhkan waktu dan lamanya tidak tentu tetapi bersifat statistik. Waktu yang dibutuhkan sejak mulai terjadi ionisasi sampai terjadi tembus listrik disebut waktu tunda tembus time lag. Jadi, tidak selamanya terpaan elektrik dapat menimbulkan tembus listrik, tetapi ada dua syarat yang harus dipenuhi agar dikatakan tembus listrik, yaitu: 1. Terpaan elektrik yang dipikul dielektrik harus lebih besar atau samadengan kekuatan dielektriknya 2. Lama terpaan elektrik berlangsung lebih besar atau sama dengan waktu tunda tembus. Untuk tegangan sinusoidal frekuensi daya dan untuk tegangan searah, syarat kedua tidak berlaku, karena waktu puncak tegangan berlangsung dalam orde milisekon sedangkan waktu tunda tembus ordenya dalam mikrosekon. Tetapi untuk tegangan impuls yang durasinya dalam mikrodetik kedua syarat tersebut harus dipenuhi. Untuk tegangan impuls, sekalipun tegangan yang diberikan telah menimbulkan terpaan elektrik yang lebih besar daripada kekuatan dielektrik, masih ada kemungkinan dielektrik tidak tembus listrik. Kemungkinan ini terjadi jika terpaan elektrik itu berlangsung lebih lama daripada waktu tunda tembusnya. Lamanya waktu tunda tembus tidak tentu, oleh karena itu ditentukan oleh statistik, sehingga terpaan elektrik yang menimbulkan tembus listrik dinyatakan dalam suatu harga statistik, yaitu harga yang memberikan probabilitas tembus 50 . Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Tegangan yang menyebabkan dielektrik tersebut tembus listrik disebut dengan tegangan tembus atau breakdown voltage. Tegangan tembus adalah besarnya tegangan yang menimbulkan terpaan elektrik pada dielektrik sama dengan atau lebih besar daripada kekuatan dielektriknya. II.3.RUGI-RUGI DIELEKTRIK Suatu bahan dilektrik terdiri dari susunan molekul-molekul, dimana elektron-elektron terikat kuat dengan inti atomnya. Susunan molekul suatu dielektrik yang bebas dari medan elektrik luar tidak beraturan seperti ditunjukkan pada Gambar II.3.Aa. Bila dielektrik dikenai medan elektrik, maka elektron-elektron akan mengalami gaya yang arahnya berlawanan dengan arah medan elektrik, sedang inti atom yang bermuatan positif akan mengalami gaya searah dengan arah medan elektrik. Gaya ini akan memindahkan elektron dari posisi semula, sehingga molekul-molekul berubah menjadi dipol-dipol yang letaknya sejajar dengan medan elektrik seperti ditunjukkan pada Gambar II.3.Ab. Suatu dielektrik yang molekul-molekulnya berubah menjadi dipol, disebut terpolarisasi. Jika medan elektrik berubah arah, maka gaya pada muatan- muatan dipol akan berubah arah membuat dipol berputar 180 . Dapat kita lihat pada Gambar II.3.Ac. Ketika molekul-molekul yang yang terpolarisasi ini berubah posisi, maka terjadilah gesekan antar molekul. Jika medan elektrik berulang-ulang berubah arah, maka gesekan antar molekul juga akan berulang- ulang, Gesekan yang berulang-ulang ini akan menimbulkan panas pada dielektrik, dan panas inilah yang disebut dengan rugi-rugi dielektrik. Untuk lebih jelasnya dapat kita lihat pada gambar sebagai berikut : Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara ± c ± c c c c c c c c ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± + + + + + + + + - - - - Atom Netral Molekul terpolarisasi Molekul terpolarisasi Gambar II.3.A Dampak medan Elektrik terhadap Molekul Dielektrik Rugi-rugi dielektrik terjadi jika ada perubahan arah medan elektrik yang berulang-ulang. Oleh karena itu, rugi-rugi dielektrik hanya terjadi pada medan elektrik bolak-balik, yaitu medan yang ditimbulkan makin tinggi, maka frekuensi gesekan antar molekul akan meningkat, akibatnya rugi-rugi dielektrik semakin besar. Tetapi, jika frekuensi sangat tinggi, maka perubahan posisi dipol sangat sedikit, karena molekul harus segera kembali ke semula. Dalam hal ini, dipol tidak sempat berubah posisi 180 sehingga peluang terjadinya gesekan antar molekul berkurang. Akibatnya, rugi-rugi dielektrik akan berkurang pada frekuensi yang sangat tinggi. Besarnya rugi-rugi dielektrik sebanding dengan besarnya frekuensi, dan tan δ. Hubungan faktor disipasi dengan frekuensi yang diambil dari buku yang ditulis oleh R.BARTNIKAS yang berjudul Electrical Insulating Liquids Volume III dengan nama dari grafik Relaxation spectra of oxidized oil D, a high viscosity cable oil after Bartnikas, unpublished work ca. 1963 ditunjukkan pada gambar sebagai berikut: Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 Frekuensi Hz tan δ Faktor disipasi 10 1 60 Gambar.II.3.B Hubungan Rugi-rugi dielektrik dengan Frekuensi II.4.Tahanan Isolasi Jika suatu dielektrik diberi tegangan searah seperti ditunjukkan pada gambar sebagai berikut: I V I S V A I a Gambar II.4.A Arus pada suatu dielektrik Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Pada gambar II.4.A, dapat kita lihat arus yang mengalir pada dielektrik terdiri atas dua komponen, yaitu: a Arus yang mengalir pada permukaan dielektrik Arus permukaan, I s . b Arus yang mengalir yang melalui volume dielektrik Arus volume, I v . Sehingga arus sumber dapat dituliskan: I a = I s + I v II.4.a Hambatan yang dialami arus permukaan disebut tahanan permukaan R s , sedang hambatan yang dialami arus volume disebut tahanan Volume R v . Dalam prakteknya, faktor-faktor yang mempengaruhi pengukuran tahanan isolasi antara lain arus absorpsi, suhu dan tegangan yang diterapkan. Berhubung dengan adanya arus absorpsi, maka dalam pengukuran tahanan perlu diperhatikan lamanya tegangan yang diterapkan dan sebelum pengukuran dimulai, bahan yang hendak diuji sudah dibebaskan dari muatan yang melekat padanya waktu pelepasan biasanya 5-10 menit. Selanjutnya untuk melihat kondisi sesuatu bahan isolasi dipakai suatu indeks polarisasi yaitu sebagai dituliskan pada persamaan berikut ini : II.4.b Dimana R menyatakan tahanan isolasi, dan I menyatakan jumlah arus yang mengalir, semuanya diuku r sesudah 1 atau 10 menit. Bila α p = 1. Maka dalam bahan isolasi terdapat kebocoran, dan dapat dikatakan bahan isolasi tersebut tidak baik. Untuk isolasi murni dan kering di Jepang berlaku syarat- syarat sebagai berikut : α p 1,5, untuk isolasi kelas A α p 2,5, untuk isolasi kelas B II.4.c Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Sebagai contoh untuk membuktikan karakteristik isolasi terhadap waktu dapat kita lihat dari dua buah generator yang ditunjukkan pada Gambar II.4.C yang diambil sesuai dengan buku yang ditulis oleh Artono Arismunandar yang berjudul Teknik Tegangan Tinggi. Lengkung A adalah karakteistik dari sebuah generator 20.000 kVA yang bersih dan dikeringkan, sedang lengkung B adalah karakteistik dari generator 18.750 kVA yang sudah tidak terpakai dan lembab. Dapat dilihat pada Gambar II.4.C yaitu Grafik Tahanan Isolasi vs waktu bahwa untuk generator yang isolasinya baik, tahanannya naik terus, dengan seiring waktu lengkung A. Biasanya diperlukan waktu sehari penuh untuk mencapai harga akhinya. Sebaliknya, untuk generator untuk isolasi yang buruk basah, waktu yang diperlukan untuk mencapai harga akhirnya pendek sekali kira-kira 4 menit untuk lengkung B. Kecuali itu harganya pun rendah. Akibatnya ialah bahwa indeks polarisasi untuk generator A lebih besar dari indeks untuk generator B. Sebagai contoh lain, Gambar II.4.D menunjukkan variasi tahanan isolasi kelas B dari sebuah Angker A.C. selama proses pengeringan. Dalam gambar ini nilai tahanan 1 menit dan 10 menit digambar bersama. Biasanya, pada permulaan pengeringan tahanan isolasi turun dengan naiknya suhu, tetapi sesudah itu naik lagi bila bahannya menjadi bertambah kering. Proses pengeringan dapat dihentikan bila tahanannya mencapai kekenyangan, tahanannya cukup tinggi dan α p nya cukup besar. Untuk lebih jelasnya dapat kita lihat pada gambar sebagai berikut : Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara 0,1 0,2 0,5 1,0 10 10 20 30 40 50 100 200 1000 1500 Tahanan Isolasi M Ω Waktu Menit Lengkung A Lengkung B 4,0 Gambar II.4.C Tahanan vs waktu 10 20 30 40 50 60 70 80 10 20 30 40 50 60 70 80 Pengukuran pada 1 menit 75 C 30 C 49 C 90 100 75 C 74 C 75 C 75 C 74 C 75 C 75 C Pengukuran pada 10 menit Tahanan Isolasi M Ω Waktu Pengeringan Jam Gambar II.4.D Tahanan Isolasi vs Waktu Pengeringan Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Pengukuran tahanan isolasi biasanya dilakukan sesudah pengujian suhu. Untuk mesin, tahanan isolasi biasanya sangat terpengaruh oleh macam dan kapasitas mesin, dan kondisi pengujian, tetapi dapat diperkirakan dari rumus- rumus di bawah ini : II.4.d Atau bila kecepatan perputaran diperhitungkan : II.4.e Dimana : R : tahanan isolasi dalam Megaohm V : tegangan nominal dalam volt P : daya nominal dalam kW atau kVA N : Perputaran nominal permenit RPM Untuk generator berkapasitas besar dapat dipakai : II.4.f Dimana : K : 0,005 Isolasi Kelas A Bila P 1000 kVA K : 0,5 Isolasi Kelas B K : 0,008 Isolasi Kelas A Bila P 1000 kVA K : 0,015 Isolasi Kelas B Pengaruh dari suhu terhadap isolasi diberikan oleh rumus empiris sebagai berikut : II.4.g Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Dimana : R 1 : tahanan isolasi pada t 1 C dalam Megaohm R 2 : tahanan isolasi pada t 2 C dalam Megaohm k T : konstanta suhu : 30 untuk generator dengan isolasi kelas A : 60 untuk generator dengan isolasi kelas B : 40 untuk lilitan angker mesin D.C Persamaan II.4.g dapat dituliskan sebagai berikut : R 1 = fR 2 II.4.h Di mana f adalah faktor koreksi suhu yaitu sebagai berikut : f = 10 A T 2 – T 1 II.4.i II.4.j Adapun faktor lain yang mempengaruhi besarnya tahanan isolasi yaitu polaritas tegangan. Di dalam bahan isolasi gas dan cairan murni akan didapat hubungan arus dan tegangan. Pada Gambar II.4.E dijelaskan bahwa sebuah kapasitor plat sejajar yang memiliki media isolasi gas yang mempunyai jarak d disuplai tegangan searah sehingga timbul medan elektrik di antara dua plat sejajar tersebut dan sebelumnya keadaan molekul ion positif dan elektron masih stabil dan dikatakan terdapat banyak atom-atom netral. Untuk lebih jelasnya lihat gambar sebagai berikut ini : Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara dx x d A K c c c c c c c c ± ± ± ± ± ± ± ± Gambar II.4.E Kapasitor plat sejajar Keadaan ini akan berubah karena adanya medan elektrik yang tinggi. Dengan metode Townsend dijelaskan bahwa jika medan elektrik tinggi maka arus dan tegangan akan tinggi juga. Akan tetapi arus akan tetap konstan walaupun tegangan dinaikkan pada titik tertentu dan tidak akan naik lagi dan arus ini dinamakan arus saturasi I dan dapat kita lihat pada Gambar II.4.F. Ketika pada tegangan yang lebih tinggi, arus akan bertambah secara eksponensial. Pertambahn arus secara eksponensial berkaitan dengan ionisasi benturan elektron pada gas. Sebagaimana tegangan bertambah dan otomatis medan elektrik pun bertambah, sehingga elektron akan bergerak lebih cepat. Dan ketika energi kinetik lebih besar dari energi ikat elektron maka elektron akan keluar dari ikatannya. Untuk menjelaskan pertambahan arus secara eksponensial, dapat dilihat pada Gambar II.4.E dan Townsend akan memperkenalkan sebuah koefisi en α yang dikenal dengan koefisien ionisasi townsend yang pertama yang artinya adalah jumlah elektron yang dihasilkan di daerah medan elektrik tersebut. Dan n o adalah jumlah elektron yang meninggalkan katoda dan jumlah elektron yang meninggalkan katoda dan menuju suatu daerah tujuan x disimbolkan n. Dan ketika elektron n berpindah Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara dari anoda menuju daerah dx maka akan meghasilkan tambahan elektron sebesar dn dan akan menyebabkan benturan. Dan hasil benturan tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut : dn = α n dx II.4.k II.4.l ln n = αx + A II.4.m Dan pada x = 0, n = n sehingga ln n = A. Maka diperoleh : ln n = αx + ln n II.4.n II.4.o Pada x = d, maka n = n e αd , Oleh karena itu, dapat diperoleh arusnya adalah : I = I e αd II.4.p Dimana e αd adalah banjiran elektron dan jumlah elektron adalah elektron yang berasal dari katoda ke anoda. Dari persamaan yang dikutip dari buku yang ditulis oleh C.L.Wadwha dengan judul New Age High Voltage Engineering, diperoleh grafik II.4.F yaitu hubungan antara arus dan tegangan yang mempengaruhi bahan isolasi tersebut yaitu sebagai berikut : I V 1 V 2 I AMPERE V Volt Isolasi Gas atau Cair Gambar.II.4.F Hubungan Tegangan dan Arus terhadap bahan Isolasi Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Bahan isolasi padat dipengaruhi oleh tegangan dan arus dimana seiring bertambahnya tegangan yang diberikan maka arusnya juga bertambah dan hal ini sesuai dengan teori ionisasi. Kemudian arus tersebut bertambah secara eksponensial dan tidak mengalami titik saturasi. Besarnya arus yang bertambah secara eksponensial dapat dilihat pada persamaan II.4.p. Dari persamaan tersebut maka diperoleh grafik yang diambil dari buku yang ditulis oleh Artono ArisMunandar yang berjudul Teknik Tegangan Tinggi yaitu sebagai berikut : I Arus V Tegangan Isolasi Padat I = I e αd Gambar II.4.G Hubungan Tegangan dan Arus terhadap bahan Isolasi Padat Untuk keperluan evaluasi, dimana sampelnya dapat dilihat pada Gambar II.4.F. Didefenisikan suatu faktor yang disebut faktor titik lemah, yaitu perbandingan tahanan pada tegangan V 1 dengan tahanan pada tegangan V 2, dimana V 2 V 1, jika faktor titik lemah semakin besar, merupakan pertanda bahwa isolasi semakin buruk. Dapat kita lihat persamaan sebagai berikut : II.4.q Dimana : α tl = Faktor titik lemah R v1 = tahanan pada V 1 R v2 = tahanan pada V 2 Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Selain itu tahanan dielektrik tergantung pada temperatur, kelembapan, dan bentuk elektroda uji. Oleh karena itu, semua kondisi ini harus dicantumkan pada hasil pengukuran.

II.5 Kekuatan Kerak isolasi