Kekuatan Kerak isolasi Teori Kegagalan Isolasi

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

Bila suatu sistem isolasi diberikan tekanan dielektrik, maka arus akan mengalir pada permukaannya. Besar arus permukaan ini ditentukan tahanan permukaan sistem isolasi. Arus ini sering juga disebut dengan arus bocor arus yang menyelusuri sirip isolator. Mudah dipahami, bahwa besar arus tersebut dipengaruhi oleh kondisi sekitarnya, yaitu suhu, tekanan, kelembapan dan polusi. Secara teknis, sistem isolasi harus mampu memikul arus bocor tersebut tanpa menimbulkan pemburukan pada permukaan sistem isolasi atau setidaknya pemburukan karena arus bocor tersebut 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 penguaraian ini adalah timbulnya kerak jejak arus. Kerak dapat membentuk suatu lajur konduktif yang selanjutnya akan menimbulkan tekanan elektrik yang berlebihan pada sistem isolasi. Panas yang ditimbulkan arus bocor dapat juga menimbulkan erosi tanpa didahului oleh adanya kerak konduktif. Terjadinya kerak tidak terbatas hanya pada permukaan isolasi pasangan luar, tetapi dapat juga terjadi pada isolasi peralatan pasangan dalam yang terpasang pada tempat kotor dan lembab, juga pada isolasi yang terpasang dibahagian dalam peralatan itu sendiri. Semua kejadian itu dipengaruhi sifat material, bentuk dan kehalusan permukaan elektroda, juga oleh pengaruh luar. Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Mekanisme terjadinya kerak sama dengan mekanisme lewat denyar isolasi terpolusi. Bergabungnya beberapa kerak dapat memicu lewat denyar sempurna.

II.6 Teori Kegagalan Isolasi

Suatu peralatan listrik jika mengalami kegagalan pengisolasian maka akan mengakibatkan Terjadinya Busur Api yang sudah menandakan terjadinya tembus listrik. Terjadinya atau padamnya busur api berhubungan dengan peristiwa ionisasi, deionisasi dan emisi. Berikut ini akan dijelaskan secara singkat tentang peristiwa ketiga tersebut. II.6.A Ionisasi Terjadinya atau padamnya busur api berhubungan dengan peristiwa ionisasi. Lihat gambar sebagai berikut : + + e a Elektron bebas e i Elektron terikat Proton Neutron + + e a e i Proton Neutron Gambar a.suatu e a membentur e i Gambar b. e i keluar lintasan Gambar II.6.A Proses Ionisasi Pada Gambar II.6.A ditunjukkan model dari suatu atom helium. Inti atom ini terdiri dari dua proton bermuatan positif dan dua neutron yang tidak bermuatan. Dua elektron bermuatan negatif berputar mengelilingi inti atom dengan lintasan yang berbeda. Dalam keadaan normal akan bersifat netral. Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Oleh suatu proses, misalnya karena benturan suatu partikel dari luar, maka elektron dapat keluar dari lintasannya dan terlepas menjadi elektron bebas, sehingga partikel yang tersisa dalam atom tinggal berupa dua proton, dua neutron dan satu elektron. Karena muatan positif lebih banyak dari muatan negatif, maka total muatan atom sekarang menjadi positif. Terlepasnya elektron dari ikatan atom netral sehingga terjadi elektron bebas dan ion positif disebut ionisasi. Ionisasi dalam gas dapat terjadi karena tiga hal, yaitu: karena adanya radiasi sinar kosmis, adanya massa yang membentur gas Ionisasi benturan dan karena kenaikan temperatur gas Ionisasi thermis. II.6.A.1 Radiasi Sinar Kosmis Ruang di atas bumi secara terus-menerus dibombardir dengan partikel-partikel-partikel submikroskopis yang berenergi tinggi. Sebagian berasal dari matahari yang sering disebut dengan sinar kosmis. Sebagian berasal dari pemisahan bahan radioaktif yang setiap menit terjadi di dalam bumi, di langit dan didalam organisme makhluk hidup. Partikel berenergi tinggi ini membentur elektron molekul netral. Peristiwa ini membuat gas selalu mengandung elektron-elektron bebas. Untuk lebih jelasnya lihat gambar sebagai berikut: Partikel submikroskopis yang berenergi tinggi Gambar II.6.A.1 Ionisasi karena radiasi sinar Kosmis Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Dari gambar II.6.A.1 terlihat bahwa energi yang berasal dari radiasi sinar kosmis yang menimbulkan partikel submikroskopis yang berenergi tinggi yang disebut juga energi radiasi akan membentur atom netral yang ada di bumi. Walaupun ada energi ikat elektron pada atom tersebut atau disebut juga dengan energi ikat elektron akan tetapi jika energi radiasi lebih besar dari energi ikat elektron maka akan terjadi ionisasi yang disebut dengan ionisasi radiasi sinar kosmis. Dimana proses kimianya adalah sebagai berikut: A + Energi A + + e Dimana : A = Atom netral A + = ion Positif e = elektron bebas II.6.A.2 Ionisasi benturan suatu gas berada diantara dua dua elektroda plat sejajar. Kedua elektroda diberi tegangan searah, akibatnya timbul medan listrik diantara kedua elektroda yang arahnya dari anoda kekatoda. Lihat gambar sebagai berikut: e a E + - Anoda Katoda Elektro bebas Molekul netral Gambar II.6.A.2 Ionisasi benturan Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Didalam gas dimisalkan ada satu elektron bebas hasil radiasi sinar kosmis e a . Karena adanya medan listrik, elektron tersebut akan mengalami gaya yang arahnya menuju anoda. Dalam perjalanan menuju anoda, elektron itu membentur molekul-molekul netral gas. Jika energi kinetis elektron pembentur lebih besar dari energi ikat elektron gas, maka elektron gas akan keluar dari lintasannya menjadi elektron bebas baru dan menyisakan ion positif. Ion positif akan mengalami gaya dan bergerak menuju katoda sedang elektron bebas baru akan bergerak menuju anoda. Elektron baru ini akan mengadakan ionisasi benturan lagi, sehingga elektron bebas dan ion positif didalam gas semakin banyak jumlahnya. II.6.A.3 Ionisasi Thermis Jika temperatur gas dalam suatu bejana tertutup dinaikkan, maka molekul-molekul gas akan bersirkulasi dengan kecepatan tinggi sehingga terjadi benturan antar molekul dengan molekul. Jika temperatur semakin tinggi, maka kecepatan molekul semakin tinggi, sehingga benturan antar molekul semakin keras dan dapat membuat terlepasnya elektron dari molekul netral. Lihat gambar sebagai berikut: Api Panas Gambar II.6.A.3 Ionisasi Thermis Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara II.6.B Deionisasi Jika suatu elektron bebas bergabung dengan suatu ion positif akan dihasilkan suatu molekul netral. Peristiwa penggabungan ini disebut dengan deionisasi. Deionisasi akan mengurangi partikel bermuatan dalam suatu gas. Jika pada suatu gas terjadi aktivitas deionisasi yang lebih besar dari aktivitas ionisasi, maka muatan-muatan bebas didalam gas itu akan berkurang. Lihat gambar sebagai berikut: + + Elektron bebas Elektron terikat Proton Neutron + + Proton Neutron e a e a Gambar a.elektron kembali terikat Gambar b. e a diluar lintasan Gambar II.6.B Proses Deionisasi Ada empat proses deionisasi yang berhubungan dengan pemadaman busur api pada suatu pemutus daya, yaitu: 1. Deionisasi medan elektrik 2. Deionisasi rekombinasi 3. Deionisasi akibat pendinginan 4. Deionisasi tangkapan elektron. II.6.B.1 Deionisasi medan elektrik Telah dijelaskan sebelumnya bahwa medan elektrik timbul diantara dua plat sejajar bertegangan. Medan elektrik ini akan menimbulkan gaya pada Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara muatan-muatan gas yang terdapat diantara elektroda. Elektron bebas bergerak menuju anoda sedangkan ion positif bergerak menuju katoda. Jika elektron bebas tiba di anoda, maka elektron akan masuk kedalam metal. Ion positif akhirnya akan mendekati spermukaan katoda dan menarik elektron keluar permukaan dari permukaan katoda, dan bergabung membentuk molekul gas netral. Jika diantara kedua elektroda tidak terjadi proses ionisasi, maka medan elektrik akan melenyapkan semua elektron bebas dari gas dan mengubah semua ion positif menjadi molekul netral. Lihat gambar sebagai berikut : - - Ion + E K - Molekul netral E K Gambar II.6.B.1 Deionisasi Medan Elektrik II.6.B.2 Deionisasi akibat Rekombinasi Rekombinasi adalah pengurangan muatan karena penggabungan elektron bebas dengan ion positif. Rekombinasi jarang terjadi dalam suatu gas. Peristiwa ini lebih mudah terjadi pada bidang batas antara gas dengan zat padat atau zat cair. Untuk lebih jelasnya lihat gambar sebagai berikut : Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara + + + + + + + Partikel bermuatan = 14 + + + + + + + Partikel bermuatan = 8 Gambar II.6.B.2 Deionisasi rekombinasi II.6.B.3 Deionisasi Akibat pendinginan Telah dijelaskan sebelumnya bahwa didalam gas bertemperatur tinggi akan terjadi gerakan molekul-molekul gas yang dapat menimbulkan ionisasi thermis. Sebaliknya, pendinginan gas atau udara akan memperlambat gerakan molekul. Hal ini akan menghalangi terjadinya ionisasi thermis dalam gas tersebut, sehingga pembentukan elektron bebas dan ion positif dapat dicegah. Pendinginan gas atau udara tidak secara langsung mengurangi partikel bermuatan, tetapi hanya menghalangi terjadinya ionisasi thermis dalam gas. II.6.B.4 Deionisasi tangkapan elektron Beberapa gas tertentu, seperti gas SF 6, mempunyai atom netral yang giat menangkap elektron bebas yang bergerak di dekatnya. Penggabungan elektron bebas dengan atom netral menghasilkan ion negatif. Seandainya gas ini berada diantara dua elektroda plat sejajar bertegangan, maka elektron bebas yang bergerak ke anoda akan ditangkap atom netralnya dan membentuk ion negatif. Ion negatif ini akan mengalami gaya dan bergerak menuju anoda. Tetapi karena massanya yang relatif besar, maka ia bergerak lebih lambat dari pergerakan elektron bebas, sehingga tidak mampu menimbulkan ionisasi. Dengan demikian, atom gas netral mencegah elektron bebas melakukan ionisasi atau mencegah Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara terjadinya elektron baru hasil ionisasi. Untuk lebih jelasnya lihat gambar sebagai berikut : Molekul Netral Elektron bebas bergerak cepat Terjadi tangkapan elektron Gambar II.6.B.4 Deionisasi tangkapan elektron II.6.C Emisi Emisi adalah peristiwa pelepasan elektron dari permukaan suatu logam menjadi elektron bebas didalam gas. Ada dua proses emisi yang berhubungan dengan pembentuk busur api pada pemutus daya, yaitu emisi thermis dan emisi medan tinggi. Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Text e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e Elektron bebas Gambar II.6.C proses terjadinya emisi Ada empat proses yang menyebabkan terjadinya emisi, yaitu: 1. Emisi fotoelektrik 2. Emisi benturan ion positif 3. Emisi medan tinggi 4. Emisi Thermis II.6.C.1 Emisi Fotoelektrik Cahaya yang menghasilkan energi foton akan membentur logam yang memiliki banyak elektron karena logam termasuk bahan yang konduktif. Ketika energi foton lebih besar dari energi ikat elektron maka elektron akan terlepas dari permukaan logam. Untuk lebih jelasnya lihat gambar sebagai berikut : Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara - - - - - - - - Dinding logam h.v energi foton Gambar II.6.C.1 Emisi foto elektrik II.6.C.2 Emisi benturan ion positif Massa ion positif lebih besar daripada masa elektron bebas dan ion positif membentur ion negatif pada logam. Karena energi kinetis ion positif lebih besar dari energi ikat elektron logam maka elektron akan terlepas dari permukaan logam. Untuk lebih jelasnya dapat kita lihat pada gambar sebagai berikut : - - - - - - - + logam + - Gambar II.6.C.2 Emisi benturan ion positif Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara II.6.C.3 Emisi Medan Tinggi Permukaan suatu logam tidak semuanya mulus, tetapi selalu ada titik-titik yang runcing. Jika logam tersebut dikenai medan elektrik seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut ini: E 1 E 2 K A Gambar II.6.C.3 Emisi Medan Tinggi Maka elektron yang terdapat permukaan logam katoda K akan mengalami gaya yang arahnya menuju anoda A. Elektron pada ujung runcing akan mengalami gaya yang lebih besar karena intensitas medan elektrik di titik tersebut relatif lebih besar dibandingkan dengan intensitas medan elektrik di bahagian yang datar. Jika intensitas medan elektrik cukup besar, maka dari titik runcing tersebut akan dilepaskan elektron bebas. Pelepasan elektron ini yang disebut emisi bintik katoda. II.6.C.4 Emisi Thermis Suatu logam yang mempunyai titik lebur tinggi, seperti karbon, jika dipanaskan hingga bertemperatur tinggi, maka dari permukaannya dan Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara menjadi elektron bebas di dalam gas. Proses inilah disebut emisi thermis. Untuk lebih jelasnya dapat kita lihat pada gambar sebagai berikut : Panas Elektron bebas Logam Gambar II.6.C.4 Emisi Thermis II.6.D Mekanisme tembus listrik pada Gas Mekanisme tembus listrik yang digunakan adalah metode tembus listrik townsend. Metoda ini digunakan untuk di daerah yang mempunyai tekanan rendah dan jarak sela antara kedua plat sejajar yang sempit. Oleh karena itu, akan diuraikan mekanisme tembus listrik townsend yaitu sebagai berikut : - - e a Elektroda Elektroda Plat sejajar Plat sejajar Anoda Katoda Gambar II.6.D.1 Elektron-elektron bebas di Udara Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Dari Gambar II.6.D.1 dapat dijelaskan bahwa didalam Udara terdapat elektron bebas yang disebabkan karena peristiwa ionisasi foton radiasi sinar ultraviolet dan juga terdapat molekul-molekul netral. Apabila kedua elektroda dihubungkan dengan sumber tegangan, maka timbul medan listrik E yang arahnya dari anoda ke katoda. Akibat adanya medan listrik, maka e a elektron bebas akan mengalami gaya F yang arahnya berlawanan dengan arah medan listrik E. Karena adanya gaya F maka e a bergerak dari katoda ke anoda. Dalam perjalanan menuju anoda, elektron bebas membentur atom netral. Jika Energi kinetis elektron awal lebih besar dari energi ikat elektron molekul netral maka akan terjadi ionisasi. Ionisasi benturan menghasilkan satu elektron bebas baru e b dan satu ion positif. Jadi, e a dan e b terus bergerak menuju anoda. Dalam perjalanannya menuju anoda e a dan e b membentur lagi atom netral sehingga terjadi lagi ionisasi sehingga jumlah elektron bebas dan ion positif semakin banyak. Ion positif bergerak menuju katoda dan terjadilah benturan ion positif dengan dinding katoda sehingga timbullah emisi benturan ion positif. Dari permukaan katoda muncul elektron-elektron baru hasil emisi ion positif membentur lagi atom netral sehingga terjadi lagi ionisasi sehingga jumlah elektron elektron bebas dan ion positif semakin banyak. Selama medan listrik masih ada maka proses ionisasi benturan dan emisi ion positif akan terus berlangsung sehingga terjadilah banjiran elektron dan ion positif. Ion positif yang membentur katoda semakin banyak sehingga elektron hasil emisi ion positif semakin banyak yang menyebabkan banjiran muatan. Muatan yang berpindah dari katoda ke anoda semakin besar yang dimana perpindahan muatan sebanding dengan arus dan dalam selang waktu tertentu perpindahan muatan akan terus bertambah yang Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara menyebabkan banjir muatan dan arus pun semakin besar yang kemudian terjadilah tembus listrik. Dan dapat kita lihat pada gambar sebagai berikut : - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - -- - - - - - - - V Gambar II.6.D.2 Banjiran Elektron menyebabkan tembus listrik Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara

BAB III KARAKTERISTIK SF