Kegagalan Isolasi Pada Benda Padat

Teknologi Material Isolasi DR.Ir. Salama Manjang

KULIAH - 5 KEGAGALAN ISOLASI PADA BENDA PADATKuliah ini akan menjelaskan tentang teori kegagalan pada beda/material padat, diantara teori yang dibahas adalah kegagalan intrinsik, kegagalan streamer, kegagalan termal, dan kegagalan erosi. Pada bagian akhir dijelaskan kegagalan isolasi padat dalam praktek.

5.1

GEJALA UMUM Mempelajari kegagalan yang terjadi pada benda padat adalah sangat penting.

Pada benda padat, apabila terjadi kegagalan, maka ia adalah kegagalan permanen, karena ia termasuk bahan yang non-self restoring. Sebaliknya untuk benda cair dan gas, bila terjadi kegagalan maka kegagalan ini adalah kegagalan yang sementara. Sesudah beberapa lama maka kekuatannya akan kembali lagi. Bahan ini termasuk bahan yang self restoring. Beberapa kegagalan pada benda padat dapat digolongkan seperti berikut : a. Kegagalan Intrinsik (asasi) dan elektro mekanik b. Kegagalan streamer c. Kegagalan termal d. Kegagalan erosi

5.2

KEGAGALAN INTRINSIK Kegagalan intrinsik terjadi jika diterapkan tegangan tinggi pada lapisan

dielektrik yang tipis. Hal ini terjadi pada waktu yang singkat dan disebabkan karena medan listrik yang tinggi V/cm dimana elektron mendapatkan energi dari tegangan luar sehingga melintasi celah yang terlarang (forbidden energy gap) sampai kelapisan konduksi. Adapun sifat dari kegagalan ini adalah: a. Terjadi pada suhu yang rendah, suhu kamar atau lebih rendah. Kekuatan kegagalan tidak bergantung pada bentuk gelombang dari tegangan yang diterapkan dan terjadi pada waktu yang singkat. b. Kegagalan tergantung pada bentuk, besar dan spesimen dan bentuk dari kegagalan. 1


5.3

KEGAGALAN STREAMER Teori dari sreamer ini sama dengan yang digunakan pada gas dielektrik. Untuk

mendapatkan kegagalan streamer yang sebenarnya, ujung katoda haruslah dimasukkan didalam isolasi yang akan diuji. Bila elektroda ditempatkan pada permukaan bahan isolasi maka elektron dari katoda akan menembus ke anoda melewati dua medium, yaitu: Pertama, medium udara diperbesar. Kedua, langsung melewati dielektrik Karena permitivitas dari udara lebih kecil dari dielektrik maka kegagalan ini terjadi lebih awal daripada di dalam dielektrik. Kegagalan pada dielektrik tidak berbentuk discharge tunggal tetapi berbentuk pohon yang bercabang. Pohon ini dinamakan linchtenberger tree . Pohon ini terjadi sangat singkat, dari beberapa detik sampai beberapa menit.

5.4

KEGAGALAN TERMAL Jeis kegagalan ini umumnya terjadi karena panas (suhu yang naik) yang

disebabkan oleh kerugian dielektrik. Panas ini sebagian dipakai untuk menaikkan suhu dari bahan dielektirk dan sebagian hilang di udara. Kenaikan suhu menyebabkan sifat konduktivitas naik, karena itu karakteristik dari kegagalan termal adalah : a. Terjadi pada suhu yang tinggi b. Kekuatan medan pada waktu terjadinya kegagalan tergantung pada bentuk dan besarnya isolasi c. Waktu yang diperlukan untuk kegagalan adalah dalam mili-detik d. Pada medan bolak-balik harga tegangan gagal lebih kecil dari medan yang tetap karena kerugian daya bertambah.

Pada medan yang bolak-balik, panas yang terjadi adalah :

W = E2.f. tan .

r1,8 1012

Watt / cm3

(5.1)

dimana r adalah permitivitas relatif Pada medan arus searah panas yang terjadi adalah :

W

E2 Watt / cm3 P

(5.2)

2


5.5

KEGAGALAN EROSI Pada pembuatan suatu isolasi dari kabel bawah tanah dan alat lainnya kadang-

kadang tidak sempurna, sehingga sering terdapat rongga dalam isolasi. Rongga ini berisi udara atau benda lain, yang mempunyai kekuatan medan atau kekuatan dielektrik yang berbeda dengan kekuatan dielektrik dari bahan isolasi. Bila rongga berisi udara maka akan terdapat konsentrasi medan listrik. Karena itu, pada nilai tegangan normal kekuatan medan pada rongga dapat bernilai melebihi kekuatan kegagalan, sehingga dapat menyebabkan terjadinya kegagalan. Kekuatan medan dalam reongga ditentukan oleh perbandingan dari permitivitas dan bentuk rongga. Pada setiap pelepasan muatan terjadilah panas, dan lama kelamaan muka dari rongga akan terjadi karbonisasi dan dapat merusak susunan kimia isolasi dan terjadinya erosi. Mason dan Krueger melakukan percobaan pada suatu spesimen berbentuk persegi panjang. Benda dibagi menjadi dua bagian, yaitu bagian yang terdapat rongga dan bagian yang tidak rongga. Misalkan kapasitansi bagian yang tidak terdapat rongga adalah Ca , bagian yang

berongga adalah Cb , sedangkan kapsitansi dari rongga adalah Cc. Jika rongga dianggap berbentuk silinder, maka persamaannya adalah : 0 . r t d tc0 .A tc

Cb Cc

(5.3)

(5.4)

Bila tegangan yang diterapkan pada benda itu Vb , maka tegangan yang terdapat pada rongga menjadi Vc .

Vc

Cb .Vb Cb Cs

(5.5)

Vc

Vb 1 1 / 0 (td tc 1)

(5.6)

Vb Vc (1

1 r (td / tc 1)

(5.7)

3


Dimana : Vb tb tc = tegangan dari luar = tebal benda = tebal dari rongga = permitivitas benda isolasi = permitivitas dari rongga

rb rc

Bila tegangan yang diterapkan dinaikkan dari nol, maka tegangan yang terdapat pada rongga juga akan menaik mengikuti gelombang tegangan yang diterapkan (Vc). Tegangan Vb dinamakan discharge inception voltage, yaitu jumlah discharge setiap siklus yang tergantung dari harga tegangan yang diterapkan. Makin tinggi nilainya makin banyak discharge terjadi sebagai akibat kenaikan suhu dalam rongga dan fenomena ini dapat merusak sifat kimia bahan, dan proses ini dapat terjadi secara terus menerus sekalipun medan listrik dihilangkan. Bila tegangan diturunkan maka dapat memadamkan discharge. Nilai ini biasanya lebih rendah dari nilai mula terjadinya discharge.

5.6

KEGAGALAN ISOLASI PADAT DALAM PRAKTEK Terdapat beberapa jenis kegagalan yang tidak dapat dijelaskan baik dari

kegagalan intrinsik maupun pada kegagalan termal, tetapi dalam kenyataannya, fenomena ini terjadi setelah tegangan operasi ditingkatkan dalam waktu yang lama. Kegagalan ini, misalnya adanya penjejakan karbon (tracking) pada material padat porselin, terutama pada keadaan kering yang menyebabkan terbentuknya celah konduksi pada permukaan isolasi. Penjejakan ini berperan sebagai celah konduksi pada permukaan isolator yang mendorong terjadinya kegagalan bertahap di sepanjang permukaan isolator. Jenis kegagalan lainnya dalam kategori ini adalah kegagalan elektron-kimia yang disebabkan oleh transformasi kimiawi, seperti elektrolisis, pembentukan ozon, dan lain-lain. Tambahan pula, kegagalan juga dapat terjadi dalam hal adanya pelepasan muatan sebagian (partial discharge) yang terbentuk karena adanya kantong udara di dalam isolator padat tersebut. Kegagalan jenis ini sangat penting

4


diketahui, terutama panggunaan isolator kertas yang digunakan pada kabel dan kapasitor tegangan tinggi.

5.6.1 KEGAGALAN KIMIA DAN ELEKTRO-KIMIA Kehadiran udara dan gas lainnya menyebabkan bahan isolasi padat mangalami perubahan struktur secara kimiawi yang dapat berlanjut pada tekanan listrik secara terus menerus yang pada akhirnya menyebabkan kegagalan isolasi. Beberapa reaksi kimia penting yang terjadi adalah : a. Oksidasi : Kehadiran udara atau oksigen, pada material padat seperti karet dan polyethilene mengalami oksidasi yang dapat meyebabkan keretakan pada permukaan isolator. b. Hidrolisis : Ketika uap air dan embun muncul di atas permukaan suatu material padat, maka hidrolisis akan terjadi dan material tersebut dan menyebabkan material akan kehilangan atau berkurang sifat listrik maupun sifat mekanisnya. Hidrolisis biasanya terjadi pada material padat seperti kertas, kain dan beberapa material seluler akan mengalami perubahan sifat kimiawi yang sangat cepat. Perubahan kimia (hidrolisis) juga terjadi pada material padat lainnya seperti plastik (polyethilene) yang menyebabkan

penurunan umur pakai dari material tersebut (aging). c. Aksi Kimiawi. Meskipun tidak terdapat medan listrik yang tinggi, namun peningkatan penurunan sifat kimia pada material isolasi dapat menyebabkan terjadinya berbagai proses material isolasi dapat menyebabkan terjadinya berbagai proses ketidakstabilan kimiawi karena adanya temperatur yang tinggi, oksidasi maupun terbentuknya ozon. Meskipun material isolasi padat digunakan pada berbagai kepentingan penggunaan dan kondisi yang berbeda, reaksi kimia akan terjadi pada berbagai material yang dapat mandorong terjadinya penurunan sifat listrik maupun sifat mekanis yang pada akhirnya dapat menyebabkan terjadinya kegagalan isolasi.

Efek elektro-kimia dan penurunan sifat kimia material dapat diperkecil dengan cara mengkaji lebih mendalam dan melakukan pengujian material secara lebih berhatihati. Isolatornya yang terbuat dari bahan glass (campuran sodium) harus dihindarkan

5


dari keadaan udara lembab dan basah, sebab sodium dapat menyebabkan keadaan menjadi tidak stabil, sehingga soda yang dilepaskan ke permukaan akan menimbulkan pembentukan suatu alkali kuat yang akan menyebabkan penurunan sifat material secara menyeluruh.

5.6.2 KEGAGALAN TRACKING DAN TREEING Jika suatu bahan isolasi padat diterapkan tekanan listrik dalam jangka waktu yang lama maka akan mengalami kegagalan. Secara umum, terdapat dua gejala yang dapat diamati pada material tersebut, yaitu: (a) Adanya bagian konduksi pada permukaan isolator. (b) Suatu mekanisme yang bekerja yang menyebabkan arus bocor melalui bagian konduksi yang pada akhirnya mendorong ke arah pembentukan suatu percikan (discharge). Percikan yang terjadi akan menyebar selama proses penjejakan karbon (tracking) dan membentuk cabang-cabang yang menyerupai pohon (pepohonan) yang dikenal dengan istilah treeting. Fenomena pepohonan listrik (treeing) dapat dijelaskan dengan menggunakan sebuah spesimen (conducting film) yang diletakkan di antara dua elektroda. Dalam prakteknya, spesimen tersebut diberikan suatu cairan pelembab kemudian diterapkan tegangan, dan dalam waktu tertentu pada permukaan spesimen akan mengalami kekeringan. Pada saat yang sama terjadi percikan yang dapat menyebabkan kerusakan pada permukaan material. Pada material padat seperti kertas, akan terbentuk karbonisasi di daerah terjadinya percikan api, dan selanjutnya karbonisasi yang terbentuk akan bertindak sebagai saluran konduksi permanen yang kemudiannya dapat meningkatkan tekanan yang berlebihan. Proses ini adalah merupakan proses kumulatif, dan isolator mengalami kegagalan akibat terjadinya jembatan karbon diantara elektroda. Fenomena ini dikenal dengan istilah tracking. Pada sisi yang lain, treeing terjadi karena erosi dari material pada ujung percikan. Erosi mengakibatkan permukaan menjadi kasar, dan oleh sebab itu dapat menjadi sumber pengotoran dan pencemaran. Kejadian ini akan meningkatkan konduktivitas, dan pada sisi yang lain akan membentuk jembatan antara bagian konduksi tadi dengan elektroda yang selanjutnya mengakibatkan kegagalan mekanik (keretakan ) pada bahan isolator. 6


Umumnya, tracking terjadi pada tegangan yang rendah yaitu sekitar 100 V, sedang treeing terjadi pada tegangan tinggi. Treeing dapat dicegah melalui usaha membersihkan permukaan material, menciptakan keadaan kering, dan pada permukaan yang halus (yang tidak terjadi kekasaran permukaan). Oleh karena itu pemilihan material harus didasarkan pada material yang mempunyai resistansi yang tinggi terhadap fenomena treeing.

(a)

(b)

Gambar 5.14. Pepohonan (treeing) listrik di dalam isolasi polimer (a) Proses awal terbentunya treeing, (b) Treeing menjembatangi kedua elektroda

7


8

Documents

Kegagalan Isolasi Pada Benda Padat