PENDAHULUAN SIFAT- SIFAT LISTRIK DIELEKTRIK KARAKTERISTIK GAS PERCOBAAN PENGARUH KANDUNGAN UDARA DALAM GAS SF KESIMPULAN DAN SARAN KARAKTERISTIK SF

I.4.Metode Penulisan Untuk dapat menyelesaikan tugas akhir ini maka penulis menerapkan beberapa metode diantaranya : a. 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. b. Studi lapangan yaitu dengan melaksanakan percobaan di Laboratorium Teknik Tegangan tinggi FT USU. c. Studi bimbingan yaitu dengan melakukan diskusi tentang topik tugas akhir ini dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh pihak Departemen Teknik Elektro USU, dengan dosen-dosen bidang Teknik Tegangan Tinggi, asisten Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi dan teman-teman sesama mahasiswa. I.5.Sistematika Penulisan Tugas Akhir ini disusun berdasarkan sistematika penulisan sebagai berikut:

BAB I : PENDAHULUAN

Bab ini berisikan tentang latar belakang masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, manfaat penulisan, metode dan sistematika penulisan.

BAB II : SIFAT- SIFAT LISTRIK DIELEKTRIK

Bab ini menjelaskan tentang teori sifat-sifat listrik dielektrik yang berisi tentang kekuatan dielektrik, rugi-rugi dielektrik, tahanan isolasi, kekuatan kerak isolasi dan teori kegagalan isolasi. Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara

BAB III : KARAKTERISTIK GAS

Bab ini berisikan tentang, Karakteristik SF 6 yang berisi tentang ikatan molekul gas SF 6 , sifat fisik gas SF 6 , sifat kimia gas SF 6 , proses tangkapan elektron bebas pada SF 6 , Udara, Pendeskripsian Campuran suatu Gas.

BAB IV : PERCOBAAN PENGARUH KANDUNGAN UDARA DALAM GAS SF

6 TERHADAP KEKUATAN DIELEKTRIK DI LABORATORIUM TEKNIK TEGANGAN TINGGI FT USU Bab ini akan mengumpulkan data dimana data diambil dengan melakukan percobaan “pengaruh kandungan udara dalam gas SF 6 terhadap kekuatan dielektrik”di Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi Fakultas Teknik USU

BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini akan memberikan kesimpulan dari awal sampai selesai penelitian.dan saran untuk perbaikan di masa yang akan datang. Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara

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

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

6 DAN UDARA Sistem pengisolasian dengan menggunakan minyak dan udara pada CB Circuit Breaker sudah digunakan selama 100 tahun. Akan tetapi, ada alternatif lain yang digunakan untuk pengisolasian pada CB yaitu dengan mengunakan SF 6 . Gas ini sudah diketahui pada tahun 1956 dan diteliti pada tahun 1900 oleh Henry Moisson yaitu orang pertama yang mengatakan bahwa fungsi SF 6 adalah sebagai pemadam busur api yang kemudian dikembangkan oleh T.E.Browne, A.P.Strom dan H.J.Lingal pada tahun 1953. Pada tugas akhir ini akan membahas pengaruh Kandungan Udara dalam Gas SF 6 terhadap kekuatan dielektrik dimana udara dinyatakan sebagai polutan. Hal ini terjadi karena pada saat pengisian gas SF 6 kedalam tabung hampa tidak diijinkan unsur apapun didalamnya karena akan mempengaruhi keandalan dari gas tersebut. III.A GAS SF 6 SULPHUR HEXAFLUORIDA Ada berbagai macam gas sintetis dari senyawa halogen. Salah satu jenis gas sintetis tersebut adalah gas SF6. Untuk saat ini, gas SF 6 merupakan gas sintetis dari senyawa halogen yang perannya hampir tidak tergantikan sebagai bahan isolasi di dalam dunia teknik tenaga listrik. Salah satu contoh penggunaan gas SF6 sebagai bahan isolasi di dalam dunia teknik tenaga listrik adalah pada pemutus tenaga atau circuit breaker. Senyawa gas SF6 diperoleh dari pencampuran atau direaksikan dari belerang cair dan gas fluorida pada temperatur 300°C. Kemudian didapat senyawa gas SF6 sampai Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara kemurnian 99,9. Gas-Gas SF 6 murni adalah gas berat yang tidak berwarna, tidak berbau, tidak berasa dan tidak beracun. Secara kimia stabil dan tidak mudah terbakar. III.A.1 Ikatan Molekul Gas SF 6 Ikatan molukul gas SF 6 mempunyai bentuk simetris yang sempurna dengan sebuah atom sulphur S terletak di pusatnya dan atom fluor F berada mengelilingi atom sulphur membentuk sudut-sudut yang beraturan. Atom sulphur bervalensi enam, hal ini menunjukan bahwa atom sulphur mampu mengikat enam atom fluor untuk melengkapi lapisan luar elektronnya. Struktur dari gas SF 6 yang seluruh ikatan kimianya terisi penuh menunjukan sifat molekul yang diam inert dan mempunyai kesetabilan yang tinggi serta memiliki energi pembentukan yang besar. Gas SF6 tersusun atas 22 berat belerang dan 78 berat fluor. Gas SF6 mempunyai rapat gas sebesar 6,139 gramliter pada suhu 20°C, dan merupakan gas terberat, yaitu lima kali lebih berat dari udara. Bentuk molekul dari gas SF6 adalah bentuk oktahedron. Pengertian dari bentuk oktahedron adalah suatu bentuk molekul yang terbentuk dari dua buah limas segi empat, dengan bidang alas dari masing-masing limas segi empat tersebut saling berhimpit, sehingga membentuk delapan bidang segitiga. Molekul oktahedron ini terdiri dari satu atom pusat dan enam atom yang mengelilingi atom pusatnya. Untuk gas SF6, atom pusatnya adalah atom sulfur dan enam atom yang mengelilingi atom pusat adalah atom fluor. Atom pusat dari molekul gas SF 6 ini terletak pada pusat bidang alas limas segi empat yang saling berhimpit, sedangkan enam Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara atom lainnya terletak pada sudut-sudut limas tersebut. Untuk lebih jelasnya, hal ini dapat dilihat pada gambar berikut ini : F F S F F F F Gambar III.A1 Ikatan molekul Gas SF 6 III.A.2 Sifat Fisik Gas SF 6 Pada temperatur 20 C dan tekanan 1 atm, gas SF 6 ini mempunyai berat jenis 6,16 kgm 2 , sedangkan udara hanya 1,66 kgm 2 berarti hal ini mencapai 4 kali berat jenis udara. Oleh karena itu, gas SF 6 termasuk dalam kategori gas berat. Selain itu gas SF 6 mempunyai berat molekul ± 5 kali lebih berat dari udara. Berat molekul gas SF 6 140,07 kgkmol dan berat molekul udara 28,8 kgkmol. Pada temperatur yang rendah yaitu -50,7 C dan tekanan 2,3 bar maka gas SF 6 akan mencair. Kecepatan suara dalam gas SF 6 adalah 138,5 mdet pada temperatur 30 C dan tekanan 1 atm, sedangkan untuk udara dalam kondisi yang sama mempunyai kecepatan rambat suara 350 mdt. Jadi, kecepatan perambatan suara dalam gas Sulphur Hexafluorida SF 6 adalah sepertiga kali dari udara. Hal ini sangat baik pengaruhnya terhadap lingkungan setempat terutama pada daerah yang padat penduduknya, karena Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara penempatan pemutus daya gas SF 6 ini tidak akan banyak membawa pengaruh buruk bahkan akan menjadi tetangga yang baik. Panas jenis dari gas Sulphur Hexafluorida SF 6 adalah sekitar 3,7 kali besar dari udara dan mempunyai kerapatan 5 kali lebih besar dari udara dan ini merupakan hal penting untuk pembatasan temperatur kerja peralatan listrik. Sebagai media isolasi, gas SF6 mempunyai kekuatan dielektrik yang baik, yaitu antara 2 sampai 3 kali lebih besar daripada kekuatan dielektrik udara. Sedangkan pada tekanan 3 atm keadaan absolut, kekuatan dielektrik dari gas SF 6 hampir sama dengan kekuatan dielektrik minyak. Selain itu, kekuatan dielektrik gas SF 6 dipengaruhi oleh tekanan dimana semakin besar tekanan suatu gas maka semakin besar pula tegangan kekuatan dielektriknya. Gambar III.A.2 berikut ini menunjukkan hubungan antara tegangan tembus gas SF 6 terhadap tekanannya untuk berbagai jarak sela pada elektroda bola-bola. Adapun grafik ini diambil dari buku yaang ditulis oleh Ruben D.Garzon yang berjudul High Voltage Circuit Breaker Design and Applications yaitu sebagai berikut : 2 4 6 8 10 12 50 100 150 200 250 X X = 1 m m X = 5 m m X = 2 m m X = 1 m m KD Kekuatan Dielektrik kVcm P Bar 5 Gambar III.A.2 Hubungan tekanan dan kekuatan dielektrik dari gas SF 6 Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Adapun cara untuk mendapatkan nilai kekuatan dielektrik gas SF 6 dari nilai tegangan tembusnya, maka dipergunakan persamaan berikut : E max = III.A.2a Dalam hal ini : E max = Kuat Medan Listrik Tertinggi Di Antara Elektroda Bola-Bola Vt = Tegangan Tembus Media Isolasi Di Antara Elektroda Bola-Bola d = Jarak Sela Elektroda Bola-Bola η = Faktor Efisiensi Faktor efisiensi merupakan fungsi dari karakteristik-karakteristik geometri elektroda bola-bola. Karakteristik-karakteristik geometri elektroda bola-bola tersebut adalah : P = III.A.2b q = III.A.2c Untuk elektroda bola-bola yang identik, maka nilai q sama dengan satu. Sehingga faktor efisiensi adalah : ฀ = fp,q III.A.2d Gas SF 6 tepat akan tembus listrik pada saat kuat medan listrik maksimum yang menerpanya sama dengan kekuatan dielektriknya. Sehingga dapat dinyatakan dalam persamaan : KD gas SF 6 = E max III.A.2e Berikut ini disajikan tabel nilai faktor efisiensi η untuk berbagai nilai karakteristik geometri elektroda bola-bola yang identik. Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Tabel III.A.2 Tabel Nilai Faktor Efisiensi η P q =1 1 1 1,5 0,924 2 0,861 3 0,760 4 0,684 5 0,623 6 0,574 8 0,497 10 0,442 15 0,349 20 0,291 50 0,1574 100 0,094 300 0,038 500 0,025 800 0,0168 1000 0,0138 III.A.3 Sifat Kimia Gas SF 6 Ikatan molekul gas SF 6 yang membentuk ikatan kovalen dimana molekul dari gas SF 6 ini mempunyai beberapa keuntungan yaitu : - Tidak larut dalam air - Tidak dapat diserap oleh asam - Tidak mudah terbakar Pada temperatur yang sangat tinggi sekitar ± 500 C, gas SF 6 dapat terurai menjadi SF 4 dan SF 2 serta sedikit campuran dari S, F dan S 2 . Bahan-bahan ini jika bercampur dengan uap air akan menyebabkan korosi pada bahan gelas dan logam dimana bahan ini banyak digunakan sebagai penyekat pada gardu induk. Selain itu, kemampuan dari perpindahan panas oleh SF 6 sangat layak. Kemampuan perpindahan SF 6 lebih baik daripada udara dimana pemindah panas terjadi secara konveksi. Perlu diingat bahwa Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara perpindahan suhu pada gas helium adalah 10 kali lebih besar dari SF 6 . , Kemudian helium memiliki sifat perpindahan panas yang terjadi lebih tinggi dari SF 6. SF 6 bukan hanya sebagai bahan isolasi yang baik tapi ia juga memiliki gaya ikat elektron yang tinggi atau dengan kata lain memiliki sifat keelektronegatifan yang tinggi. Selain memiliki tembus listrik yang tinggi, tetapi juga memiliki kekuatan dielektrik yang tinggi sehingga sangat baik dalam pemadaman busur api. Lihat gambar sebagai berikut : 10 100 1000 0,1 1 10 100 Perpindahan Panas Watt SF 6 Udara Temperatur O C Gambar III.A.3 Perbandingan perpindahan panas SF 6 dan Udara Karena Suhu pemisah senyawa SF 6 rendah dan energi pemisah senyawa SF 6 tinggi sehingga sangat baik digunakan untuk pemadaman busur api. Fungsi utama SF 6 untuk memadamkan busur api selain itu juga memiliki kemampuan khusus dapat memulihkan kekuatan dielektrik mengikuti perioda busur terjadinya busur api sangat cepat, dan pada waktu yang singkat dan konstant dapat membuat perubahan arus mendekati nol dimana salah satu sifat penting untung melakukan pemutusan arus ketika terjadinya gangguan pada jaringan yang terganggu. Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara III.A.4 Proses Tangkapan Elektron Bebas Pada Gas SF6 Gas SF6 memiliki energi elektronegativitas yang tinggi. Elektronegativitas adalah suatu sifat kimia dari sebuah atom atau molekul untuk menarik atau menyerap elektron bebas yang berada di sekitarnya. Jika di antara dua elektroda sejajar yang dipisahkan oleh bahan isolasi gas SF 6 diberi sumber tegangan, maka akan timbul medan listrik di antara elektroda sejajar yang melalui bahan isolasi gas SF 6 tersebut. Pada gas SF 6 , terdapat molekul netral dan tentunya elektron bebas. Elektron bebas yang terdapat di dalam gas SF 6 tersebut akan dikenai medan listrik, sehingga elektron bebas akan mengalami gaya dan menuju ke terminal positif. Gambar di bawah menunjukkan medan listrik yang timbul di antara dua buah elektroda plat sejajar yang dipisahkan oleh bahan isolasi gas SF 6 . Gambar III.A.4a. Medan Listrik Yang Timbul Di Antara Dua Elektroda Dalam perjalanannya, elektron bebas akan mendekati molekul netral gas SF6. Setelah elektron bebas sangat dekat dengan molekul netral gas SF 6 atau hampir membentur molekul netral gas SF 6 , maka molekul netral gas SF 6 akan menarik atau menyerap elektron bebas tersebut, sehingga terbentuk ion Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara negatif. Gambar berikut menunjukkan molekul netral gas SF 6 yang menyerap elektron bebas. Gambar III.A.4b Penyerapan Elektron Bebas Pada Molekul Netral Ion negatif yang terbentuk memiliki massa yang relatif besar jika dibandingkan dengan elektron bebas. Sehingga ion negatif ini tidak mampu untuk menimbulkan ionisasi benturan. Semakin kecil peluang terjadinya ionisasi benturan, maka elektron bebas yang terbentuk akan semakin sedikit juga. Maka media isolasi, dalam hal ini adalah gas SF 6 , semakin sulit untuk terjadi tembus listrik. Oleh karena gas SF 6 mempunyai energi elektronegativitas yang tinggi, maka gas SF 6 memiliki kekuatan dielektrik yang baik. Meskipun gas SF 6 memiliki kekuatan dielektrik yang baik dan beberapa keunggulan, perlu diperhatikan bahwa gas SF 6 juga mempunyai beberapa kekurangan, yaitu gas SF 6 tidak dapat digunakan untuk tekanan diatas 13,8 bar. Apabila tekanan akan dipakai melebihi 13,8 bar, maka gas SF 6 harus dipanaskan terlebih dahulu. Fungsi dari pemanasan ini adalah untuk mencegah perubahan wujud gas SF 6 dari wujud gas menjadi cair. Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Ada pun kemunduran fungsi dapat terjadi karena zat pencemar SF 6 . Menurut data dari PT. PLN PERSERO P3B Jawa – Bali, zat tersebut merupakan produk-produk dekomposisi, seperti tertera pada tabel sebagai berikut : Tabel III.A.4 Zat-zat yang menyebabkan berkurangnya fungsi Gas SF 6 Gas Senyawa Sumber Udara 80N 2 , 20O 2 N 2 , O 2 Bocor Intrusi dari luar Moisture H 2 O Bocor Intrusi dari luar Carbon tetraflouride CF 4 Kompenen berunsur karbon Hydrofluoric acid HF Terbentuk di SF 6 jika ada busur api Sulfur dioxide S0 2 Terbentuk jika SOF 2 bereaksi dengan air Sulfur monoflouride S 2 F 2 tidak terdeteksi karena sangat reaktif tidak stabil Sulfur diflouride SF 2 Mudah bereaksi Sulfur tetraflouride SF 4 Sangat mudah bereaksi Disulfur decaflouride S 2 F 10 keberadaannya dalam SF 6 sangat diragukan Silicon tetraflouride SiF 4 Busur api, jika ada silicon Carbon disulfur CS 2 Busur api, jika ada silicon Carbon dioxide CO 2 Dari senyawa yang mengandung karbon Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara III.B Udara Udara terdiri atas campuran gas yang terdapat pada permukaan bumi. Udara bumi yang kering mengandungi 78 nitrogen, 21 oksigen, dan 1 uap air, karbon dioksida, dan gas-gas lain. Kandungan elemen senyawa gas dan partikel dalam udara akan berubah-ubah dengan ketinggian dari permukaan tanah. Demikian juga massanya, akan berkurang seiring dengan ketinggian. Semakin dekat dengan lapisan troposfer, maka udara semakin tipis, sehingga melewati batas gravitasi bumi, maka udara akan hampa sama sekali. Adapun gas-gas yangterkandung dalam udara adalah seperti berikut : 1 Helium 2 Nitrogen 3 Oksigen 4 Karbondioksida III.B.1 Helium Helium He adalah unsur kimia yang tak berwarna, tak berbau, tak berasa, tak beracun, hampir inert, monatomik, dan merupakan unsur pertama pada seri gas mulia dalam tabel periodik dan memiliki nomor atom 2. Dikatakan gas mulia karena konfigurasi elektronnya terisi penuh dan gas ini memiliki energi ionisasi yang sangat besar dan afinitas elektron yang sangat rendah, Titik didih dan titik leburnya merupakan yang terendah dari unsur- unsur lain dan ia hanya ada dalam bentuk gas kecuali dalam kondisi ekstrim. Kondisi ekstrim juga diperlukan untuk menciptakan sedikit senyawa helium, yang semuanya tidak stabil pada suhu dan tekanan standar. Helium memiliki Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara massa jenis 101,325 kPa pada suhu 0 C, 0,1786 gL, titik lebur 0,95 K - 272,05 °C pada tekanan 2,5 MPa, titik didih 4,22 K -268,78 °C, kalor peleburan 0,0138 kJmol, kalor penguapan 0,0829 kJmol, dan kapasitor kalor 25 °C 20,786 Jmol·K semua kondisi 1 atm. III.B.2 Nitrogen Nitrogen atau zat lemas adalah unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki lambang N dan nomor atom 7. Biasanya ditemukan sebagai gas tanpa warna, tanpa bau, tanpa rasa dan merupakan gas diatomik bukan logam yang stabil, sangat sulit bereaksi dengan unsur atau senyawa lainnya. Dinamakan zat lemas karena zat ini bersifat malas, tidak aktif bereaksi dengan unsur lainnya. Nirogen merupakan senyawa penting seperti asam amino, amoniak, asam nitrat, dan sianida. Nitrogen mengembun pada suhu 77 K -196 o C pada tekanan 1 atmosfir dan membeku pada suhu 63 K - 210 o C. Adapun sifat-sifat kimia dari Nitrgen yaitu: 1. Mempunyai massa atom 14,0067 sma 2. Mempunyai nomor atom 7 3. Titik didih -196 C 4. Titik beku -210 C 5. Mempunyai volume atom 17,30 cm3 mol 6. Mempunyai struktur heksagonal 7. Mempunyai massa jenis 1,2151 gramcm 3 8. Mempunyai kapasitas panas 1,042 Jg K 9. Mempunyai potensial ionisasi 14,534 Volt Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara 10. Mempunyai nilai elektronegativitas 3,04 11. Mempunyai konduktivitas kalor 0,02598 WmK 12. Mempunyai harga entalpi pembentukan 0,36 kJmol 13. Mempunyai harga bentalpi penguapaan 2,7928kJmol 14. Berupa gas tidak berwarna, tidak berasa, tidak berbau, dan tidak beracun. 15. Mudah menguap 16. Tidak reaktif 17. Bersifat diamagnetik III.B.3 Oksigen Oksigen atau zat asam adalah unsur kimia dalam sistem tabel periodik yang mempunyai lambang O dan nomor atom 8. Ia merupakan unsur golongan kalkogen dan dapat dengan mudah bereaksi dengan hampir semua unsur lainnya utamanya menjadi oksida. Pada Temperatur dan tekanan standar, dua atom unsur ini berikatan menjadi dioksigen, yaitu senyawa gas diatomik dengan rumus O 2 yang tidak berwarna, tidak berasa, dan tidak berbau. Oksigen merupakan unsur paling melimpah ketiga di alam semesta berdasarkan massa dan unsur paling melimpah di kerak Bumi. Gas oksigen diatomik mengisi 20,9 volume atmosfer bumi. Oksigen mempunyai 101,325 KPa atau 1,429 gL, dan titik lebur 54,36 K atau -218,64 °C, dan titik didih 90,20 K atau -182,80 °C dan kalor peleburan 0,444 kJmol, Kalor penguapan 6,82 kJmol dan kapasitas kalor 25 °C atau 29,378 Jmol· K dan unsur ini bersifat paramagnetik. selain itu Oksigen Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara mempunyai kecepatan suara 330 ms pada suhu kamar 27 °C dan konduktivitas termalnya 26,58 mWm· K pada suhu 300 K. III.B.4 Karbondioksida Karbondioksida rumus kimia CO 2 atau zat asam arang adalah sejenis senyawa kimia yang terdiri dari dua atom oksigen yang terikat secara kovalen dengan sebuah atom karbon. Ia berbentuk gas pada keadaan temperatur dan tekanan standar dan hadir di atmosfer bumi. Karbon dioksida adalah gas rumah kaca yang penting karena ia menyerap gelombang inframerah dengan kuat. Karbondioksida adalah gas yang tidak berwarna dan tidak berbau Pada keadaan standar, rapatan karbondioksida berkisar sekitar 1,98 kgm³, Molekul karbon dioksida O=C=O mengandung dua ikatan rangkap yang berbentuk linear dan ia tidak bersifat dipol. Senyawa ini tidak begitu reaktif dan tidak mudah terbakar, namun bisa membantu pembakaran logam seperti magnesium. Titik Didihnya −78 °C 195 K, titik lelehnya −57 °C 216 K. III.C Pendeskripsian Komposisi Campuran suatu Gas Untuk menetapkan keadaan dari suatu campuran dibutuhkan komposisi dan nilai dari dua buah properti yang independen seperti temperatur dan tekanan. Tujuan dari bagian ini adalah memikirkan cara-cara untuk mendeskripsikan komposisi dari suatu campuran. Kemudian pada bagian- bagian selanjutnya, akan ditunjukkan bagaimana properti-properti campuran selain dari komposisi dapat dievaluasi. sebuah sistem tertutup yang terdiri dari campuran gas dari dua atau lebih komponen. Komposisi dari suatu campuran tersebut dapat dideskripsikan dengan melihat massa atau jumlah mol dari tiap Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara komponen yang ada. Massa kg, jumlah mol Kmol, dan berat molekul KgKmol dari sebuah komponen i memiliki hubungan sebagai berikut : III.C.a Dimana m i adalah massa, n i adalah jumlah mol, dan M i adalah berat molekuler dari komponen i. Sehingga massa total campuran campuran m, adalah penjumlahan dari massa kompenen-kompennya yang dapat dituliskan : III.C.b Jumlah relatif dari kompenen-kompenen yang terdapat dalam campuran adalah dapat diberikan dalam fraksi massa. Fraksi massa mf i dari sebuah kompenen i didefinisikan sebagai berikut : III.C.c Dengan membagi tiap bagian pada persamaan III.C.b dengan massa total campuran m dan dengan menggunakan persamaan III.C.c maka diperoleh persamaan : III.C.d Artinya, jumlah fraksi massa dari seluruh kompenen dalam sebuah campuran sama dengan 1 100 Kg. Dan jumlah mol total dalam sebuah campuran n, adalah jumlah mol dari tiap kompenennya. Sehingga diperoleh persamaan sebagai berikut : Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara III.C.e Jumlah relatif dari kompenen-kompenen yang terdapat dalam campuran juga dapat dituliskan sebagai fraksi mol. Fraksi mol y 1 dari kompenen i didefinisikan sebagai : III.C.f Dengan membagi tiap bagian pada persamaan III.C.e dengan massa total campuran m dan dengan menggunakan persamaan III.C.f, maka diperoleh persamaan : III.C.g Jumlah fraksi mol dari seluruh kompenen dalam sebuah campuran sama dengan 1. Dan berat molekul yang tampak dari campuran, M, didefinisikan sebagai rasio massa total campuran, m, terhadap jumlah mol total campuran, n. Sehingga dapat dituliskan sebagai berikut : III.C.h III.D Hubungan p, V, dan T untuk Campuran Gas Ideal Pada bagian ini akan dibahas hanya campuran gas ideal dan diperkenalkan dua model yang digunakan dalam kaitannya dengan idealisasi model Dalton dan model Amagat. Perhatikan suatu sistem yang terdiri dari beberapa gas yang berada dalam bejana tertutup dengan volume V seperti yang diperlihatkan pada Gambar III.D. Temperatur dari campuran gas adalah T dan tekanan adalah p. Campuran gas keseluruhan dianggap sebagai gas ideal, Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara sehingga p, V, T, dan jumlah mol total dari campuran n berhubungan dengan gas ideal dan dirumuskan sebagai berikut : P = n III.D.a Dengan menggunakan Model Dalton, dimana mengacu pada konsep gas ideal yang terdiri dari molekul-molekul yang memiliki gaya antar molekul yang dapat diabaikan dan yang memiliki volume yang dapat diabaikan relatif terhadap volume yang dapat ditempati oleh gas. Lihat gambar sebagai berikut : p Tekanan T Temperatur V volume Gas 1 Gas 2 Gas j n 1 n 2 n j n mol campuran Gambar III.D Campuran beberapa Gas Dengan tidak adanya gaya intermolekuler yang signifikan, sifat dari tiap kompenen tidak akan terpengaruh oleh keberadaan kompenen lain. Selain itu, jika volume yang ditempati oleh molekul hanya sebagian kecil dari volume total, molekul dari tiap gas yang ada dapat dianggap mampu bergerak bebas di dalam seluruh volume. Sesuai dengan gambaran sederhana ini, model Dalton didasarkan kepada pemikiran bahwa tiap kompenen dari campuran berlaku sebagai gas ideal seakan-akan kompenen tersebut merupakan kompenen tunggal pada temperatur T dan volume V dari campuran. Pada model Dalton, komponen-komponen individual tidak memberikan tekanan campuran p tapi tekanan parsial. Seperti ditunjukkan di bawah ini, jumlah dari tekanan parsial sama dengan tekanan campuran. Tekanan parsial dari kompenen i, p i , adalah Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara tekanan yang diberikan oleh n i mol dari komponen i jika komponen tersebut berada sendirian dalam volume V pada temperatur T. Tekanan parsial dapat dihitung dengan menggunakan persamaan gas ideal yaitu sebagai berikut : III.D.b Dengan membagi persamaan III.D.a dengan III.D.b maka diperoleh persamaan : III.D.c Sehingga tekanan parsial dari komponen i dapat dihitung dalam fraksi mol y i dan tekanan campuran p yang dituliskan pada persamaan berikut : III.D.d Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara

BAB IV PENGUJIAN PENGARUH KANDUNGAN UDARA DALAM