Analisis Pengaruh Viskositas Terhadap Tegangan Tembus dan Arus Bocor Berbagai Minyak Isolasi Komersil
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Isolasi
Sistem isolasi merupakan paduan dari beberapa bahan isolasi yang
digunakan pada suatu peralatan listrik. Dengan demikian, dapat didefenisikan
bahwa sistem isolasi adalah gabungan dari beberapa bahan yang dibangun untuk
memisahkan bagian-bagian peratan listrik yang berbeda potensial.
Agar suatu peralatan listrik bekerja dengan baik maka sistem isolasinya
harus baik. Dalam menentukan dimensi suatu sistem isolasi dibutuhkan
pengetahuan tentang jenis, besaran, dan durasi tekanan medan elektrik yang akan
dialami masing-masing bahan yang membentuk sistem isolasi tersebut.
Dielektrik adalah suatu bahan yang memiliki daya hantar arus yang relatif
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 elektronelektron terikat dengan kuat pada intinya sehingga terbentuk suatu struktur
regangan (lattices) benda padat, atau dalam hal cairan atau gas, bagianbagian 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
Universitas Sumatera Utara
3.
Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan reaksi kimia.
Agar dielektrik mampu menjalankan tugasnya dengan
baik
maka
dimensi
sistem
dielektrik harus memenuhi syarat-syarat sebagai berikut:
1.
Mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi, agar
isolasi menjadi kecil dan pengunaan bahan dielektrik semakin sedikit,
sehingga harganya semakin murah.
2.
Rugi-rugi dielektrik yang rendah, agar temperatur bahan isolasi
tidak melebihi batas yang ditentukan.
3.
Memiliki kekuatan kerak tinggi agar
tidak
terjadi
erosi
karena
tekanan elektrik permukaan.
4.
Memiliki permitivitas yang tepat dan cocok, sehingga arus pemuatan
(charging current) yang mengalir pada sistem isolasi tidak melebihi yang
diizinkan.
Tetapi dalam prakteknya tidak ada dielektrik yang mampu
memenuhi
semua syarat-syarat diatas. Sehingga diperlukan kompromi tentang sifat-sifat apa
saja yang lebih diutamakan [5].
Dielektrik Cair
Kekuatan dielektrik merupakan ukuran kemampuan suatu material untuk
bisa menahan tegangan tinggi tanpa berakibat terjadinya kegagalan dielektrik.
Kekuatan dielektrik cair tergantung pada sifat atom dan molekul cairan itu sendiri,
material dari elektroda, suhu, jenis tegangan yang diberikan, gas yang terdapat
dalam cairan, dan sebagainya yang dapat merubah sifat molekul cairan. Dalam
isolasi cair kekuatan dielektrik setara dengan tegangan yang terjadi[6].
Dielektrik cair mempunyai kerapatan 1000 kali lebih besar daripada dielektrik
gas sehingga kekuatan dielektriknya lebih tinggi daripada dielektrik gas
Kelebihan lain dari dielektrik cair yaitu mempunyai kemampuan
untuk
memperbaiki diri sendiri jika terjadi suatu pelepasan muatan (discharge) [7].
Menurut hukum Paschen’s, kekuatan dielektrik cair berkisar antara 107 V/cm.
Dielektrik cair akan mengisi volume ruang yang harus diisolasi dan secara
simultan akan mendisipasikan panas yang timbul secara konveksi [11].
4
Universitas Sumatera Utara
Kelebihan lain dari dielektrik cair murni yaitu mempunyai kemampuan
untuk memperbaiki diri sendiri jika terjadi suatu pelepasan muatan (discharge).
Salah satu kekurangan dielektrik cair yaitu mudah terkontaminasi. Sifat-sifat
fisika isolasi cair menjelaskan sifat isolasi cair secara umum yang nantinya
digunakan dalam proses perencanaan peralatan. Sifat-sifat fisika yang terpenting
adalah[12]:
a. Kejernihan (Appearance)
b. Massa jenis ( Density)
c. Viskositas kinematik (Kinematic viscosity)
d. Titik nyala (Flash point)
e. Titik tuang ( Pour point)
f. Angka Kenetralan
Adapun sifat-sifat kelistrikan dari isolasi cair antara lain[12]:
1. Tegangan tembus atau gagal ( Breakdown Voltage)
2. Resistivitas (Resistivity)
3. Faktor Kebocoran Dielektrik (Dielektric Dissipation Factor)
4. Permitivitas (Permitivity).
Viskositas
Viskositas atau biasa disebut kekentalan relatif penting pada isolasi cair. Hal
ini dikarenakan viskositas berpengaruh pada kemurnian isolasi cair (banyaknya
kontaminan partikel padat) dan pendinginan suatu peralatan listrik. Selain sebagai
media isolasi biasanya isolasi cair juga berfungsi dalam proses pendinginan.
Isolasi cair yang baik haruslah mempunyai viskositas yang rendah sehingga
kemungkinan isolasi cair terkontaminasi akan kecil. Selain itu jika viskositas
isolasi cair rendah, proses sirkulasi isolasi cair pada peralatan listrik akan
berlangsung dengan baik sehingga akhirnya pendinginan inti dan belitan
trasformator dapat berlangsung dengan sempurna.
Viskositas Kinematik ASTM D 445 merupakan salah satu dari beberapa
pengujian yang dilakukan oleh Laboratorium Minyak Bumi, dimana dalam
melakukan pengujian Viskositas Kinematik ASTM D 445 untuk produk minyak
seperti solar dan pelumas selalu diperlukan suatu viskometer Tube yang
5
Universitas Sumatera Utara
digunakan untuk mengetahui viskositas dari cairan dengan metode gravitasi.
Viskositas kinematis umumnya dinyatakan dalam centistokes (cSt) yang berada
dalam satuan metrik 1 mm2/s. Viskositas dinamis biasanya dinyatakan dalam
Centipoise (cP), yang dalam satuan metrik adalah 1 mPa.s (0.001 Pas)[4].
Viskositas dinamis dalam isolasi cair dinyatakan dalam persamaan 2.1 [10]:
(2.1)
dimana :
µ = viskositas (poise)
r = jari-jari bola ukur (cm)
g = gaya grafitasi (m/s2)
v = kecepatan bola ukur (cm/s)
ρ = massa jenis bola ukur (g/cm3)
ρ1 = massa jenis isolasi cair (g/cm3)
Sedangkan nilai viskositas pada minyak trafo dinyatakan dengan satuan cSt,
yaitu satuan untuk viskositas kinematik yang dinyatakan dengan persamaan 2.2
[4]:
(2.2)
dimana :
V = viskositas kinematik (St)
µ = viskositas dinamis (poise)
ρ1 = Densitas isolasi cair (g/cm3)
Pengertian Tegangan Tembus
Kekuatan dielektrik Ek adalah terpaan tertinggi yang dapat dipikul suatu
dielektrik sedangkanTegangan tembus (breakdown
voltage)
suatu
isolator
adalah tegangan minimum yang dibutuhkan untuk membuat dielektrik menjadi
tembus listrik (breakdown). Jika dielektrik telah tembus listrik maka dielektrik
telah gagal menjalankan fungsinya.
6
Universitas Sumatera Utara
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 millidetik hanya
memerlukan satu syarat saja yaitu syarat nomor satu diatas.
Pada Gambar 2.1 berikut ditunjukan suatu bahan dielektrik yang
ditempatkan diantara dua elektroda sejajar. Bila elektroda diberi tegangan V
maka timbul medan elektrik E. Medan elektrik ini merupakan beban bagi
dielektrik yang menekan dielektrik agar berubah menjadi konduktor dengan cara
memberikan gaya kepada 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 (breakdown).
Gambar 2.1 Dielektrik Dalam Medan Elektrik
Dalam menganalisis tegangan tembus minyak isolasi komersil dilakukan
dengan cara melakukan 6 (enam) kali pengujian tegangan tembus(Vbd) dan data
yang pertama tidak diambil, selanjutnya diambil nilai rata-rata dari 5 (lima)data
7
Universitas Sumatera Utara
tersebut pada setiap unit sampel sesuai dengan ASTM D-1816 dan ASTM 877.
Yang secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.
(2.3)
Teori Kegagalan Dielektrik Cair
Minyak isolasi komersil adalah cairan yang secara kimia tidak murni.
Ketidakmurniannya disebabkan gelembung gas/udara, partikel yang melayang dan
lainnya. Ketidakmurnian ini menyebabkan menurunnya kekuatan kekuatan
dielektrik minyak isolasi. Mekanisme kegagalan cairan ini tergantung beberapa
faktor, seperti bentuk dan keadaaan dari elektroda, sifat fisik cairan,
ketidakmurnian dan kehadiran gelembung gas. Pada kebanyakan jenis benda cair
tingkat kemurniannya relatif tidak begitu tinggi karena biasanya masih terdapat
gelembung gas, partikel asing, dan lain-lain. Hal ini tentu menguragi kekuatan
benda cair terhadap peristiwa kegagalan. Mekanisme terjadinya kegagalan pada
benda cair merupakan mekanisme yang memerlukan suatu penyebab seperti
kondisi alami elektroda, keadaan mengenai isolasi cair itu sendiri dan keberadaaan
benda-benda asing (gelembung gas dan partikel benda padat) di dalam benda cair.
Beberapa teori telah dirancang untuk menjelaskan mekanisme kegagalan pada
benda cair. Mekanisme tersebut dapat digolongkan menjadi tiga, yaitu :
a. Mekanisme partikel yang melayang
Apabila jumlah partikel yang melayang relatif banyak, pertikel-partikel
tersebut akan membentuk semacam jembatan yang menghubungkan kedua
elektroda, sehingga mengakibatkan terjadinya peristiwa kegagalan .
Namun bila hanya terdapat sebuah partikel dia akan membuat perluasan
area medan yang luasnya ditemtukan olah bentuk partikel itu sendiri. Jika
perluasan area medan ini melebihi ketahanan benda cair, maka terjadilah
peristiwa kegagalan setempat (local breakdown), yaitu terjadi di dekat
partikel asing tersebut. Hal ini akan membuat terbentuknya gelembunggelembung gas yang pada akhirnya juga menyebabkan
peristiwa
8
Universitas Sumatera Utara
kegagalan pada benda cair tersebut. Sehingga dapat disimpulkan bahwa
ketidakmurnian
suatu
jenis
benda
cair
akan
menurunkan
nilai
ketahanannya dari peristiwa kegagalan . semakin besar ukuran partikel
yang melayang dalam benda cair tersebut, semakin besar pula penurunan
kekuatan benda cair terhadap peristiwa kegagalan.
b. Mekanisme gelembung gas
Kekuatan peristiwa kegagalan dipengaruhi oleh tekanan hidrostatis benda
cair itu sendiri. Hal ini dikarenakan adanya kaitan antara perubahan fase
pada medium benda cair dengan proses terjadinya peristiwa kegagalan,
dengan kata lain gelembung yang terbentuk karena peristiwa penguapan
(peristiwa perubahan fase) adalah penyebab terjadinya kegagalan pada
benda cair. Proses-proses di bawah ini adalah penyebab terbentuknya
gelembung-gelembung gas.
a. Gelembung gas yang mempel pada elektroda.
b. Tekanan repulsive elektrostatis di tengah ruangan yang bermuatan,
yang kemungkinan cukup kuat untuk mengatasi tegangan permukaan.
c. Terbentuknya benda gas yang disebabkan oleh disosiasi
molekul
cairan karena tabrakan electron.
d. Peristiwa penguapan benda cair yang disebabkan oleh pelepasan
muatan tipe korona pada titik elektroda yang tajam, dan oleh
ketidakteraturan permukaanelektroda tersebut.
c. Mekanisme kegagalan termal
Mekanisme kegagalan termal membahas tentang peristiwa kegagalan pada
saat “pulse condition”. Mekanisme ini berdasarkan eksperimen yang
menyelidiki arus yang relatif besar sesaat sebelum terjadi peristiwa
kegagalan. Pulsa arus yang relatif besar ini bersumber dari titik proyeksi
mikroskopik yang terdapat pada permukaan katoda, kepadatan pada titik
tersebut mencapai 1 A/cm3. Pulsa arus dengan kepadatan yang
demikian
tinggi memanaskan sebagian minyak sehingga terbentuk gelembunggelembung penguapan. Gelembung-gelembung tersebut dapat terbentuk
9
Universitas Sumatera Utara
jika besarnya energi mencapai 107 W/cm2. Pada saat
gelembung
terbentuk, maka peristiwa kegagalan akan mengikutinya. Peristiwa
kegagalan ini dapat disebabkan oleh perpanjangan ukuran gelembung dan
dapat juga disebabkan oleh terbentuknya jembatan diantara elektroda.
Kemudian yang terjadi selanjutnya adalah terbentuknya lecutan listrik.
Bersdasarkan mekanisme ini kekuatan kegagalan isolasi dipengaruhi oleh
tekanan dan struktur molekul benda cair. Sebagai contoh sesuai dengan
penyelidkan pada n-alkana . kekuatan peristiwa kegagalannya dipengaruhi
oleh panjang rantai molekulnya. Teori ini dapat berlaku ruang celah yang
amat pendek (> 20 kV) maka minyak transformator masih dikatakan baik. Namun
bila E bd lebih kecil daripada 20 kV (Ebd
TINJAUAN PUSTAKA
Isolasi
Sistem isolasi merupakan paduan dari beberapa bahan isolasi yang
digunakan pada suatu peralatan listrik. Dengan demikian, dapat didefenisikan
bahwa sistem isolasi adalah gabungan dari beberapa bahan yang dibangun untuk
memisahkan bagian-bagian peratan listrik yang berbeda potensial.
Agar suatu peralatan listrik bekerja dengan baik maka sistem isolasinya
harus baik. Dalam menentukan dimensi suatu sistem isolasi dibutuhkan
pengetahuan tentang jenis, besaran, dan durasi tekanan medan elektrik yang akan
dialami masing-masing bahan yang membentuk sistem isolasi tersebut.
Dielektrik adalah suatu bahan yang memiliki daya hantar arus yang relatif
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 elektronelektron terikat dengan kuat pada intinya sehingga terbentuk suatu struktur
regangan (lattices) benda padat, atau dalam hal cairan atau gas, bagianbagian 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
Universitas Sumatera Utara
3.
Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan reaksi kimia.
Agar dielektrik mampu menjalankan tugasnya dengan
baik
maka
dimensi
sistem
dielektrik harus memenuhi syarat-syarat sebagai berikut:
1.
Mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi, agar
isolasi menjadi kecil dan pengunaan bahan dielektrik semakin sedikit,
sehingga harganya semakin murah.
2.
Rugi-rugi dielektrik yang rendah, agar temperatur bahan isolasi
tidak melebihi batas yang ditentukan.
3.
Memiliki kekuatan kerak tinggi agar
tidak
terjadi
erosi
karena
tekanan elektrik permukaan.
4.
Memiliki permitivitas yang tepat dan cocok, sehingga arus pemuatan
(charging current) yang mengalir pada sistem isolasi tidak melebihi yang
diizinkan.
Tetapi dalam prakteknya tidak ada dielektrik yang mampu
memenuhi
semua syarat-syarat diatas. Sehingga diperlukan kompromi tentang sifat-sifat apa
saja yang lebih diutamakan [5].
Dielektrik Cair
Kekuatan dielektrik merupakan ukuran kemampuan suatu material untuk
bisa menahan tegangan tinggi tanpa berakibat terjadinya kegagalan dielektrik.
Kekuatan dielektrik cair tergantung pada sifat atom dan molekul cairan itu sendiri,
material dari elektroda, suhu, jenis tegangan yang diberikan, gas yang terdapat
dalam cairan, dan sebagainya yang dapat merubah sifat molekul cairan. Dalam
isolasi cair kekuatan dielektrik setara dengan tegangan yang terjadi[6].
Dielektrik cair mempunyai kerapatan 1000 kali lebih besar daripada dielektrik
gas sehingga kekuatan dielektriknya lebih tinggi daripada dielektrik gas
Kelebihan lain dari dielektrik cair yaitu mempunyai kemampuan
untuk
memperbaiki diri sendiri jika terjadi suatu pelepasan muatan (discharge) [7].
Menurut hukum Paschen’s, kekuatan dielektrik cair berkisar antara 107 V/cm.
Dielektrik cair akan mengisi volume ruang yang harus diisolasi dan secara
simultan akan mendisipasikan panas yang timbul secara konveksi [11].
4
Universitas Sumatera Utara
Kelebihan lain dari dielektrik cair murni yaitu mempunyai kemampuan
untuk memperbaiki diri sendiri jika terjadi suatu pelepasan muatan (discharge).
Salah satu kekurangan dielektrik cair yaitu mudah terkontaminasi. Sifat-sifat
fisika isolasi cair menjelaskan sifat isolasi cair secara umum yang nantinya
digunakan dalam proses perencanaan peralatan. Sifat-sifat fisika yang terpenting
adalah[12]:
a. Kejernihan (Appearance)
b. Massa jenis ( Density)
c. Viskositas kinematik (Kinematic viscosity)
d. Titik nyala (Flash point)
e. Titik tuang ( Pour point)
f. Angka Kenetralan
Adapun sifat-sifat kelistrikan dari isolasi cair antara lain[12]:
1. Tegangan tembus atau gagal ( Breakdown Voltage)
2. Resistivitas (Resistivity)
3. Faktor Kebocoran Dielektrik (Dielektric Dissipation Factor)
4. Permitivitas (Permitivity).
Viskositas
Viskositas atau biasa disebut kekentalan relatif penting pada isolasi cair. Hal
ini dikarenakan viskositas berpengaruh pada kemurnian isolasi cair (banyaknya
kontaminan partikel padat) dan pendinginan suatu peralatan listrik. Selain sebagai
media isolasi biasanya isolasi cair juga berfungsi dalam proses pendinginan.
Isolasi cair yang baik haruslah mempunyai viskositas yang rendah sehingga
kemungkinan isolasi cair terkontaminasi akan kecil. Selain itu jika viskositas
isolasi cair rendah, proses sirkulasi isolasi cair pada peralatan listrik akan
berlangsung dengan baik sehingga akhirnya pendinginan inti dan belitan
trasformator dapat berlangsung dengan sempurna.
Viskositas Kinematik ASTM D 445 merupakan salah satu dari beberapa
pengujian yang dilakukan oleh Laboratorium Minyak Bumi, dimana dalam
melakukan pengujian Viskositas Kinematik ASTM D 445 untuk produk minyak
seperti solar dan pelumas selalu diperlukan suatu viskometer Tube yang
5
Universitas Sumatera Utara
digunakan untuk mengetahui viskositas dari cairan dengan metode gravitasi.
Viskositas kinematis umumnya dinyatakan dalam centistokes (cSt) yang berada
dalam satuan metrik 1 mm2/s. Viskositas dinamis biasanya dinyatakan dalam
Centipoise (cP), yang dalam satuan metrik adalah 1 mPa.s (0.001 Pas)[4].
Viskositas dinamis dalam isolasi cair dinyatakan dalam persamaan 2.1 [10]:
(2.1)
dimana :
µ = viskositas (poise)
r = jari-jari bola ukur (cm)
g = gaya grafitasi (m/s2)
v = kecepatan bola ukur (cm/s)
ρ = massa jenis bola ukur (g/cm3)
ρ1 = massa jenis isolasi cair (g/cm3)
Sedangkan nilai viskositas pada minyak trafo dinyatakan dengan satuan cSt,
yaitu satuan untuk viskositas kinematik yang dinyatakan dengan persamaan 2.2
[4]:
(2.2)
dimana :
V = viskositas kinematik (St)
µ = viskositas dinamis (poise)
ρ1 = Densitas isolasi cair (g/cm3)
Pengertian Tegangan Tembus
Kekuatan dielektrik Ek adalah terpaan tertinggi yang dapat dipikul suatu
dielektrik sedangkanTegangan tembus (breakdown
voltage)
suatu
isolator
adalah tegangan minimum yang dibutuhkan untuk membuat dielektrik menjadi
tembus listrik (breakdown). Jika dielektrik telah tembus listrik maka dielektrik
telah gagal menjalankan fungsinya.
6
Universitas Sumatera Utara
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 millidetik hanya
memerlukan satu syarat saja yaitu syarat nomor satu diatas.
Pada Gambar 2.1 berikut ditunjukan suatu bahan dielektrik yang
ditempatkan diantara dua elektroda sejajar. Bila elektroda diberi tegangan V
maka timbul medan elektrik E. Medan elektrik ini merupakan beban bagi
dielektrik yang menekan dielektrik agar berubah menjadi konduktor dengan cara
memberikan gaya kepada 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 (breakdown).
Gambar 2.1 Dielektrik Dalam Medan Elektrik
Dalam menganalisis tegangan tembus minyak isolasi komersil dilakukan
dengan cara melakukan 6 (enam) kali pengujian tegangan tembus(Vbd) dan data
yang pertama tidak diambil, selanjutnya diambil nilai rata-rata dari 5 (lima)data
7
Universitas Sumatera Utara
tersebut pada setiap unit sampel sesuai dengan ASTM D-1816 dan ASTM 877.
Yang secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.
(2.3)
Teori Kegagalan Dielektrik Cair
Minyak isolasi komersil adalah cairan yang secara kimia tidak murni.
Ketidakmurniannya disebabkan gelembung gas/udara, partikel yang melayang dan
lainnya. Ketidakmurnian ini menyebabkan menurunnya kekuatan kekuatan
dielektrik minyak isolasi. Mekanisme kegagalan cairan ini tergantung beberapa
faktor, seperti bentuk dan keadaaan dari elektroda, sifat fisik cairan,
ketidakmurnian dan kehadiran gelembung gas. Pada kebanyakan jenis benda cair
tingkat kemurniannya relatif tidak begitu tinggi karena biasanya masih terdapat
gelembung gas, partikel asing, dan lain-lain. Hal ini tentu menguragi kekuatan
benda cair terhadap peristiwa kegagalan. Mekanisme terjadinya kegagalan pada
benda cair merupakan mekanisme yang memerlukan suatu penyebab seperti
kondisi alami elektroda, keadaan mengenai isolasi cair itu sendiri dan keberadaaan
benda-benda asing (gelembung gas dan partikel benda padat) di dalam benda cair.
Beberapa teori telah dirancang untuk menjelaskan mekanisme kegagalan pada
benda cair. Mekanisme tersebut dapat digolongkan menjadi tiga, yaitu :
a. Mekanisme partikel yang melayang
Apabila jumlah partikel yang melayang relatif banyak, pertikel-partikel
tersebut akan membentuk semacam jembatan yang menghubungkan kedua
elektroda, sehingga mengakibatkan terjadinya peristiwa kegagalan .
Namun bila hanya terdapat sebuah partikel dia akan membuat perluasan
area medan yang luasnya ditemtukan olah bentuk partikel itu sendiri. Jika
perluasan area medan ini melebihi ketahanan benda cair, maka terjadilah
peristiwa kegagalan setempat (local breakdown), yaitu terjadi di dekat
partikel asing tersebut. Hal ini akan membuat terbentuknya gelembunggelembung gas yang pada akhirnya juga menyebabkan
peristiwa
8
Universitas Sumatera Utara
kegagalan pada benda cair tersebut. Sehingga dapat disimpulkan bahwa
ketidakmurnian
suatu
jenis
benda
cair
akan
menurunkan
nilai
ketahanannya dari peristiwa kegagalan . semakin besar ukuran partikel
yang melayang dalam benda cair tersebut, semakin besar pula penurunan
kekuatan benda cair terhadap peristiwa kegagalan.
b. Mekanisme gelembung gas
Kekuatan peristiwa kegagalan dipengaruhi oleh tekanan hidrostatis benda
cair itu sendiri. Hal ini dikarenakan adanya kaitan antara perubahan fase
pada medium benda cair dengan proses terjadinya peristiwa kegagalan,
dengan kata lain gelembung yang terbentuk karena peristiwa penguapan
(peristiwa perubahan fase) adalah penyebab terjadinya kegagalan pada
benda cair. Proses-proses di bawah ini adalah penyebab terbentuknya
gelembung-gelembung gas.
a. Gelembung gas yang mempel pada elektroda.
b. Tekanan repulsive elektrostatis di tengah ruangan yang bermuatan,
yang kemungkinan cukup kuat untuk mengatasi tegangan permukaan.
c. Terbentuknya benda gas yang disebabkan oleh disosiasi
molekul
cairan karena tabrakan electron.
d. Peristiwa penguapan benda cair yang disebabkan oleh pelepasan
muatan tipe korona pada titik elektroda yang tajam, dan oleh
ketidakteraturan permukaanelektroda tersebut.
c. Mekanisme kegagalan termal
Mekanisme kegagalan termal membahas tentang peristiwa kegagalan pada
saat “pulse condition”. Mekanisme ini berdasarkan eksperimen yang
menyelidiki arus yang relatif besar sesaat sebelum terjadi peristiwa
kegagalan. Pulsa arus yang relatif besar ini bersumber dari titik proyeksi
mikroskopik yang terdapat pada permukaan katoda, kepadatan pada titik
tersebut mencapai 1 A/cm3. Pulsa arus dengan kepadatan yang
demikian
tinggi memanaskan sebagian minyak sehingga terbentuk gelembunggelembung penguapan. Gelembung-gelembung tersebut dapat terbentuk
9
Universitas Sumatera Utara
jika besarnya energi mencapai 107 W/cm2. Pada saat
gelembung
terbentuk, maka peristiwa kegagalan akan mengikutinya. Peristiwa
kegagalan ini dapat disebabkan oleh perpanjangan ukuran gelembung dan
dapat juga disebabkan oleh terbentuknya jembatan diantara elektroda.
Kemudian yang terjadi selanjutnya adalah terbentuknya lecutan listrik.
Bersdasarkan mekanisme ini kekuatan kegagalan isolasi dipengaruhi oleh
tekanan dan struktur molekul benda cair. Sebagai contoh sesuai dengan
penyelidkan pada n-alkana . kekuatan peristiwa kegagalannya dipengaruhi
oleh panjang rantai molekulnya. Teori ini dapat berlaku ruang celah yang
amat pendek (> 20 kV) maka minyak transformator masih dikatakan baik. Namun
bila E bd lebih kecil daripada 20 kV (Ebd