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
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
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
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:
+
Elektroda
V E
Dielektrik
Elektroda
-
Gambar II.2 Medan Elektrik dalam Dielektrik Beban yang dipikul dielektrik ini disebut juga terpaan medan elektrik, satuannya dinyatakan dalam Volt/cm. 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 Ek, maka terpaan dielektrik yang dapat dipikulnya adalah lebih kecil samadengan dari Ek.
Universitas Sumatera Utara
Jika terpaan elektrik yang dipikul dielektrik melebihi Ek, 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
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 muatanmuatan dipol akan berubah arah membuat dipol berputar 1800. 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 berulangulang, 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
± ± ±± ± ± ± ± ± ± ± ± ± c
c
c
c
Atom Netral
c
Molekul terpolarisasi
c
c
c
+ +-
c
+ + + -
Molekul terpolarisasi
+ + + + +
c c II.3.A Dampak medan Gambar Elektrik terhadap Molekul Dielektrik c
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 1800 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
tan δ (Faktor disipasi)
0,01
0,008
0,006
0,004
0,002
0 101
60
102
103
104
105
Frekuensi (Hz)
106
107
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:
Ia IS
V IV
A
Gambar II.4.A Arus pada suatu dielektrik
Universitas Sumatera Utara
108
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, Is).
b)
Arus yang mengalir yang melalui volume dielektrik (Arus volume, Iv). Sehingga arus sumber dapat dituliskan: Ia = Is + Iv
(II.4.a)
Hambatan yang dialami arus permukaan disebut tahanan permukaan (Rs), sedang hambatan yang dialami arus volume disebut tahanan Volume (Rv). 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 diukur sesudah 1 atau 10 menit. Bila αp = 1. Maka dalam bahan isolasi terdapat kebocoran, dan dapat dikatakan bahan isolasi tersebut tidak baik. Untuk isolasi murni dan kering di Jepang berlaku syaratsyarat sebagai berikut : αp > 1,5, untuk isolasi kelas A αp > 2,5, untuk isolasi kelas B
(II.4.c)
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 αp nya cukup besar. Untuk lebih jelasnya dapat kita lihat pada gambar sebagai berikut :
Universitas Sumatera Utara
Tahanan Isolasi (MΩ)
1500
Lengkung A
1000
200
100
50
Lengkung B
40 30 20 10
Waktu (Menit) 0,5
0,2
0,1
4,0
1,0
10
Gambar II.4.C Tahanan vs waktu
Pengukuran pada 10 menit
Tahanan Isolasi MΩ
750C
80
750C 70
750C
60
740C
50
40
300C
750C
30
750C
Pengukuran pada 1 menit
740C
490C
20
750C
10
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Waktu Pengeringan (Jam)
Gambar II.4.D Tahanan Isolasi vs Waktu Pengeringan
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 rumusrumus 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)
K
: 0,015
Bila P < 1000 kVA ( Isolasi Kelas B)
Pengaruh dari suhu terhadap isolasi diberikan oleh rumus empiris sebagai berikut :
(II.4.g)
Universitas Sumatera Utara
Dimana : R1
: tahanan isolasi pada t1 0C dalam Megaohm
R2
: tahanan isolasi pada t2 0C dalam Megaohm
kT
: 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 : R1 = fR2
(II.4.h)
Di mana f adalah faktor koreksi suhu yaitu sebagai berikut : f = 10 A (T2 – T1)
(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
A d
± ± ± ± ±± ± ± c
c
c
c
c
dx
c
c
c
x K 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 I0 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 koefisien α yang dikenal dengan koefisien ionisasi townsend yang pertama yang artinya adalah jumlah elektron yang dihasilkan di daerah medan elektrik tersebut. Dan no 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
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 = n0 sehingga ln n = A. Maka diperoleh : ln n = αx + ln n0
(II.4.n)
(II.4.o) Pada x = d, maka n = n0 eαd, Oleh karena itu, dapat diperoleh arusnya adalah : I = I0 eαd
(II.4.p)
Dimana eαd 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 (AMPERE)
Isolasi Gas atau Cair I0
V1
V2
V (Volt)
Gambar.II.4.F Hubungan Tegangan dan Arus terhadap bahan Isolasi
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 :
Is
ol
as
iP
ad
at
I (Arus)
I = I0 eαd V (Tegangan)
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 V1 dengan tahanan pada tegangan V2, dimana V2 > V1, jika faktor titik lemah semakin besar, merupakan pertanda bahwa isolasi semakin buruk. Dapat kita lihat persamaan sebagai berikut :
(II.4.q) Dimana :
αtl
= Faktor titik lemah
Rv1
= tahanan pada V1
Rv2
= tahanan pada V2
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
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 : Elektron terikat
ea
ea
ei
ei
+
+ Elektron bebas
Neutron
Neutron
+
Gambar a.suatu
Proton
ea membentur ei
Proton
+
e
Gambar b. 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
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
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
+
A+
Energi
Dimana :
+
e
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
(+)Anoda
ea
Katoda
(-)
Elektro bebas Molekul netral
Gambar II.6.A.2 Ionisasi benturan
Universitas Sumatera Utara
Didalam gas dimisalkan ada satu elektron bebas hasil radiasi sinar kosmis (ea). 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
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 terikat
ea
ea Elektron bebas
+
+
Neutron
Neutron
+
Proton
+
Proton
e
Gambar a.elektron kembali terikat Gambar b. 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
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 :
E
E
(-) K
(-) K Molekul netral
Ion ( + )
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
+
+ +
+ +
+
+ +
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 SF6, 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
terjadinya elektron baru hasil ionisasi. Untuk lebih jelasnya lihat gambar sebagai berikut :
Elektron bebas bergerak cepat
Molekul Netral
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
e
e
e ee e e e ee e e e eText e e e e e ee e e e
e
Elektron bebas e
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
h.v (energi foton) -
-
-
Dinding logam 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
logam
sebagai berikut :
- + -
+ -
Gambar II.6.C.2 Emisi benturan ion positif
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:
E1 K E2 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
menjadi elektron bebas di dalam gas. Proses inilah disebut emisi thermis. Untuk lebih jelasnya dapat kita lihat pada gambar sebagai berikut :
Elektron bebas
Logam
Panas 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 :
ea
Plat sejajar Katoda Elektroda
Elektroda
Plat sejajar Anoda
Gambar II.6.D.1 Elektron-elektron bebas di Udara
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 ea (elektron bebas) akan mengalami gaya (F) yang arahnya berlawanan dengan arah medan listrik (E). Karena adanya gaya (F) maka ea 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 (eb ) dan satu ion positif. Jadi, ea dan eb terus bergerak menuju anoda. Dalam perjalanannya menuju anoda ea dan eb 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
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
