ISOLASI

TUGAS KELOMPOK 6

TEKNIK TEGANGAN TINGGI

Oleh:

SYAIFUL EFENDI (0910952049)

PRIANDIKA (1110953005)

FIKKY SYOFYAN (1110953025)

Dosen:

Dr. Eng. Ariadi Hazmi. ST, MT

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS ANDALAS

PADANG

2012

2.12 FENOMENA PUSAT-KERUSAKAN DAN APLIKASINYA
Ini adalah fenomena yang terjadi setelah kerusakan yang sebenarnya telah terjadi dan merupakan teknis penting. Pembuangan cahaya dan busur adalah fenomena pusat-kerusakan, dan ada banyak perangkat yang beroperasi selama daerah ini. Dalam debit Townsend (lihat Gambar 2.21) arus meningkat secara bertahap sebagai fungsi dari terapan tegangan. Selanjutnya untuk titik ini (B) hanya arus yang meningkat, dan perubahan debit dari jenis Townsend ke tipe Cahaya (BC). Selanjutnya peningkatan pada arus menghasilkan pengurangan yang sangat kecil dalam tegangan pada lembah (CD) sesuai dengan daerah cahaya yang normal. Tegangan akan kembali meningkat (DE), ketika arus tersebut lebih meningkat, tapi akhirnya mengarah pada penurunan yang cukup besar dalam tegangan.
Ini adalah daerah debit busur (EG). Fenomena yang terjadi di daerah CG adalah fenomena post-breakdown yang terdiri dari debit cahaya (CE) dan debit busur (EG).

Glow Discharge (debit cahaya)
Sebuah debit cahaya ditandai dengan sebuah cahaya yang tersebar. Warna dari debit cahaya tergantung pada bahan katoda dan gas yang digunakan. Debit cahaya meliputi sebagian katoda dan ruang antara katoda, dan anoda akan memiliki pertengahan daerah gelap dan terang. Ini disebut cahaya normal. Jika arus di cahaya normal meningkat sedemikian rupa debit meliputi seluruh permukaan katoda, maka itu menjadi cahaya tak-normal. Dalam debit cahaya, tegangan turun antara elektroda secara substansial tetap, berkisar dari 75-300 V pada rentang arus 1 mA sampai 100 mA tergantung pada jenis gas. Sifat dari debit cahaya yang digunakan dalam aplikasi praktis, seperti tabung dingin katoda tegangan gas stabil (tabung regulasi tegangan atau tabung VR), untuk pembetulan, sebagai osilator relaksasi, dan sebagai amplifier.

Arc Discharge (debit busur)
Jika arus di celah meningkat menjadi sekitar 1 A atau lebih, tegangan pada celah tiba-tiba berkurang menjadi beberapa volt (20-50 V). Debit menjadi sangat bercahaya dan bising (daerah EG dalam Gambar. 2.21). Fase ini disebut debit busur dan kerapatan arus selama daerah katoda meningkat menjadi nilai yang sangat tinggi dari 10³ - 10⁷ A/cm². Pelengkungan dikaitkan dengan suhu tinggi, kisaran dari 1000^oC sampai beberapa ribu derajat Celcius. Debit akan berisi sebuah electron dengan kerapatan yang tinggi dan ion positif, yang disebut plasma arc. Studi tentang busur ini adalah penting dalam pemutusan sirkuit. dan kontak saklar lainnya. Ini adalah temperature tinggi sumber intensitas cahaya tinggi yang sesuai. Hal ini digunakan untuk pengelasan dan pemotongan logam. Ini adalah sumber cahaya di lampu seperti lampu busur karbon. Plasma suhu tinggi yang digunakan untuk pembangkit listrik melalui magneto-hidro dinamis (MHD) atau proses fusi nuklir.

Gambar. 2.20 Frekuensi daya (60 Hz) dan kurva tegangan impuls breakdown untuk celah batang-batang di udara pada n.t.p. Satu batang yang dibumikan. Kelembaban mutlak adalah 6,5 gms/ft². kurva impuls breakdown adalah untuk beberapa kali breakdown pada ekor gelombang

Gambar. 2.21 d.c. karakteristik tegangan-arus dari sebuah debit listrik dengan elektroda tidak memiliki titik tajam atau ujung-ujungnya

2.13 PERTIMBANGAN PRAKTIS DALAM MENGGUNAKAN GAS UNTUK TUJUAN ISOLASI

Dalam beberapa tahun terakhir, cukup banyak pekerjaan yang telah dilakukan untuk menerapkan sebuah gas khusus untuk penggunaan praktis. Sebelum menerapkan gas tertentu untuk tujuan praktis, hal ini berguna untuk mendapatkan pengetahuan tentang apa yang dilakukan gas, apa komposisinya, dan apa faktor-faktor yang mempengaruhi kinerjanya. Semakin besar kegunaan dari kinerja operasi menuntut dari gas isolasi, semakin tepat akan menjadi persyaratan yang harus dipenuhi oleh gas. Persyaratan yang dibutuhkan oleh gas dielektrik yang baik tidak ada dalam sebagian besar gas. Umumnya, sifat yang disukai dari dielektrik gas untuk aplikasi tegangan tinggi adalah:

(a) kekuatan tinggi dielektrik,
(b) stabilitas termal dan ketidak-aktifan kimia terhadap bahan konstruksi,
(c) tidak-mudah terbakar dan intertness fisiologis,
(d) suhu rendah dari kondensasi,
(e) perpindahan panas yang baik, dan
(f) kesiapan tersedianya pada harga yang cukup.

Gambar. 2.22 d.c. kekuatan breakdown dari jenis padat, cair, gas dan vakum isolasi dalam bidang yang seragam

Sulfur hexafluorida (SF6) yang telah menerima banyak study dalam beberapa tahun terakhir telah ditemukan untuk memiliki sebagian besar persyaratan di atas.

Dari sifat di atas, kekuatan dielektrik adalah properti yang paling penting dari sebuah dielektrik gas untuk penggunaan praktis. Kekuatan dielektrik gas sebanding dengan dielektrik padat dan cair (lihat Gambar. 2.22). Dalam beberapa tahun terakhir, sifat dielektrik kompleks yang terklorinasi dan terflorinasi senyawa molekuler juga telah dipelajari. Ini ditunjukkan pada Gambar. 2.23. Fitur dari kekuatan dielektrik tinggi dari gas dikaitkan untuk kompleksitas molekuler dan tingginya tingkat lampiran elektron (lihat Sec. 2,7). Kekuatan dielektrik relatif dan sifat kimia dan fisik dari beberapa gas komersial yang penting ditunjukkan dalam tabel 2.2.

Gambar. 2.23 kekuatan breakdown dari isolasi gas untuk berdiameter 75 cm elektroda bidang seragam memiliki jarak 12 mm

Dari gambar dan tabel, dapat dilihat bahwa SF₆ memiliki kekuatan dielektrik yang tinggi dan suhu pencairan rendah, dan dapat digunakan melalui berbagai kondisi operasi. Oleh karena itu, banyak digunakan sebagai media isolasi peralatan tegangan tinggi seperti kabel tegangan tinggi, transformator arus dan tegangan, circuit-breakers dan gardu logam tertutup. Hal ini juga dapat dilihat dari tabel bahwa penambahan 30% SF₆ ke udara (denagn volume) meningkatkan kekuatan dielektrik oleh udara dengan 100%. Salah satu efek kualitatif pencampuran SF₆ ke udara adalah untuk mengurangi biaya keseluruhan dari gas, dan pada saat yang sama mencapai kekuatan dielektrik relatifitas tinggi atau hanya mencegah timbulnya korona pada tegangan operasi yang diinginkan. Selain penggunaan gas SF₆ dalam beberapa kali, semua orang tahu kualitas penting dari udara sebagai media isolasi untuk saluran transmisi listrik dan ledakan di udara cicuit-brakes.

2.14 ISOLASI RUANG HAMPA

2.14.1 Pendahuluan
Ide untuk menggunakan ruang hampa untuk tujuan isolasi sangat tua. Menurut teori Townsend, pertumbuhan arus pada sebuah jarak tergantung pada penyimpanan partikel bermuatan. Dalam tidak adanya partikel tersebut, seperti dalam kasus ruang hampa sempurna, harus tidak ada konduksi dan ruang hampa harus menjadi media isolasi sempurna. Namun, dalam praktiknya, kehadiran elektroda logam dan permukaan isolasi dalam ruang hampa mempersulit masalah dan, oleh karena itu, bahkan dalam ruang hampa, tegangan yang cukup tinggi akan menyebabkan kerusakan (breakdown).

Dalam beberapa tahun terakhir sejumlah besar pekerjaan telah dilakukan untuk menentukan sifat listrik ruang hampa tinggi. Hal ini terutama ditujukan untuk menerapkan suatu media untuk berbagai aplikasi di perangkat seperti kontraktor dan penyela ruang hampa, kapasitor dan relay frekuensi tinggi, generator elektrostatik, tabung microwave, dll. Kontraktor dan pemutus sirkuit menggunakan ruang hampa sebagai isolasi menemukan peningkatan aplikasi dalam sistem tenaga.

2.14.2 Apa ruang hampa?
Sebuah sistem ruang hampa yang digunakan untuk membuat ruang hampa adalah sistem di mana tekanan dipertahankan pada nilai yang jauh di bawah tekanan atmosfer. Dalam sistem ruang hampa tekanan selalu diukur dari segi milimeter air raksa, di mana satu standar atmosfer sama dengan 760 milimeter air raksa pada suhu 0^oC. Istilah “milimeter merkuri “ telah dibakukan sebagai" Torr "oleh Masyarakat Vacuum Internasional, di mana satu milimeter merkuri diambil sebagai sama dengan satu Torr. Ruang hampa dapat diklasifikasikan sebagai
ruang hampa tinggi : 1 x 10^-3 hingga 1 x 10^-6 Torr
ruang hampa sangat tinggi : 1 x 10^-6 hingga 1 x 10^-8 Torr
ruang hampa ultra tinggi : 1 x 10^-9 Torr dan bawah
Untuk tujuan isolasi listrik, kisaran ruang hampa umumnya digunakan adalah “ruang hampa tinggi” dengan batas tekanan 1 x 10^-3 hingga 1 x 10^-6 Torr.

2.14.3 Vacuum Breakdown
Dalam jenis Townsend debit dalam gas dijelaskan sebelumnya, elektron bisa dikalikan karena berbagai proses ionisasi dan sebuah longsoran elektron terbentuk. Dalam ruang hampa tinggi, bahkan jika elektroda dipisahkan oleh, katakanlah, beberapa sentimeter, elektron melintasi jarak tanpa menemui tabrakan. Oleh karena itu, perkembangan arus sebelum breakdown tidak dapat disebabkan oleh pembentukan elektron longsoran. Namun, jika gas dibebaskan dalam ruang hampa, kemudian, breakdown dapat terjadi dengan cara yang dijelaskan oleh proses Townsend. Dengan demikian, berbagai mekanisme breakdown dalam ruang hampa tinggi bertujuan pada membangun jalan di mana pembebasan gas dapat dibawa sekitar dalam selang ruang hampa.
Selama 70 tahun terakhir atau lebih, banyak mekanisme yang berbeda untuk breakdown dalam ruang hampa telah diusulkan. Ini dapat secara luas dibagi menjadi tiga kategori
(a) mekanisme pertukaran partikel
(b) mekanisme medan emisi
(c) teori penggumpalan

(a) Mekanisme Pertukaran Partikel
Dalam mekanisme ini diasumsikan bahwa sebuah partikel bermuatan akan dipancarkan dari satu elektroda dalam aksi dari medan elektrik tinggi, dan ketika itu menimpa elektroda yang lain, membebaskan partikel bermuatan secara berlawanan. Partikel-partikel ini yang dipercepat dengan menerapkan tegangan balik pada elektroda pertama dimana mereka melepas lebih dari jenis partikel aslinya. Ketika proses ini menjadi kumulatif, sebuah rantai reaksi timbul dimana mengarah kepada breakdown dari selang tersebut.

Mekanisme pertukaran partikel melibatkan electron-elektron, ion positif, photon dan gas yang diserap pada permukaan elektroda. Kualitatif, sebuah electron berada dalam selang ruang hampa yang dipercepat menuju anoda, dan pada dampak pelepasan ion A positif dan photon C. Ion-ion positif ini telah dipercepat menuju katoda, dan dampaknya tiap ion positif membebaskan elektron-elektron B dan tiap photon membebaskan elektron-elektron D. Ini ditampilkan skematiknya pada Gambar. 2.24. Breakdown akan terjadi jika koefisien dari produk electron sekunder melampaui kesatuan. Secara matematis, kondisi untuk breakdown dapat dituliskan sebagai berikut

(AB + CD) > 1 (2.32)

Kemudian, Trump dan Van de Graaff mengukur koefisien tersebut dan menunjukkan bahwa mereka terlalu kecil untuk proses ini berlangsung. Dengan demikian, teori ini adalah diubah untuk memungkinkan adanya ion negatif dan kriteria untuk rincian kemudian menjadi

(AB + EF) > 1 (2.33)

Dimana A dan B adalah sama seperti sebelumnya dan E dan F merupakan koefisien untuk pembebasan ion negatif dan positif oleh ion-ion positif dan negatif. Eksperimen tersebut ditemukan bahwa nilai-nilai produk EF cukup dekat ke kesatuan untuk elektroda tembaga, aluminium dan stainless steel untuk membuat mekanisme ini diterapkan pada tegangan 250 kV ke atas.

(b) Teori Medan Emisi
(i) Mekanisme Pemanasan Anoda
Teori ini mendalilkan bahwa elektron dihasilkan pada mikro-proyeksi kecil pada katoda karena emisi lapangan membombardir anoda menyebabkan kenaikan lokal di suhu dan pelepasan gas dan uap ke dalam celah ruang hampa. Elektron ini mengionisasi atom-atom gas dan menghasilkan ion-ion positif. Ion-ion positif yang tiba di katoda, meningkatkan emisi elektron primer karena pembentukan ruang muatan dan menghasilkan elektron sekunder dengan membombardir permukaan. Proses berlanjut sampai jumlah yang memadai elektron diproduksi untuk menimbulkan kerusakan, seperti dalam kasus Townsend jenis debit gas tekanan rendah. Hal ini secara skematis diperlihatkan pada Gambar. 2.25.

(ii) Mekanisme Pemanasan Katoda
Mekanisme ini mendalilkan bahwa dekat celah tegangan breakdown, titik yang tajam pada permukaan katoda bertanggung jawab atas keberadaan arus pre-breakdown, yang dihasilkan sesuai dengan proses medan emisi dijelaskan di bawah ini.

Arus ini menyebabkan pemanasan resistif di ujung titik dan ketika kepadatan arus kritis tercapai, ujung meleleh dan meledak, sehingga memulai debit ruang hampa. Mekanisme ini disebut medan emisi seperti yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar. 2.26. Dengan demikian, inisiasi kerusakan tergantung pada kondisi dan sifat dari permukaan katoda. Bukti eksperimental menunjukkan bahwa kerusakan terjadi oleh proses ini ketika medan listrik katoda efektif adalah urutan 10⁶ sampai 10⁷ V/cm.

(c) Mekanisme Penggumpalan
Pada dasarnya teori ini telah dikembangkan pada asumsi berikut (Gambar 2.27):

· Sebuah partikel longgar terikat (gumpalan) ada di salah satu permukaan elektroda.

· Pada penerapan tegangan tinggi, partikel ini akan mendapat muatan, kemudian akan terlepas dari elektroda induk, dan dipercepat di celah.

· Breakdown terjadi karena debit di uap atau gas dilepas oleh dampak dari partikel pada elektroda target.

Cranberg adalah orang pertama yang mengusulkan teori ini. Dia awalnya mengasumsikan breakdown yang akan terjadi ketika energi per satuan luas, W, dikirim ke elektroda target dengan gumpalan melebihi nilai C, sebuah konstanta, karakteristik dari sepasang elektroda tertentu. Kuantitas W adalah produk dari tegangan celah (V) dan kerapatan muatan pada gumpalan. Yang terakhir adalah sebanding dengan medan listrik E pada elektroda asal. Kriteria untuk breakdown, oleh karena itu,

VE = C’ (2.34)

Dalam kasus elektroda bidang sejajar medan E = V/d, di mana d adalah jarak antara elektroda. Jadi kriteria umum untuk breakdown menjadi

V = (C d)^1/2 (2.35)

di mana C merupakan konstanta yang melibatkan C dan kondisi permukaan elektroda.
Cranberg menyajikan ringkasan hasil eksperimen yang memuaskan kriteria breakdown ini dengan cukup akurat. Dia menyatakan bahwa asal gumpalan adalah katoda dan memperoleh nilai C konstan sebesar 60 x 10¹⁰ V²/cm (untuk partikel besi). Namun persamaan kemudian dimodifikasi sebagai V = C d^α , dimana variasi α antara 0,2 dan 1,2 tergantung pada panjang celah dan bahan elektroda, dengan maksimum pada 0,6. Ketergantungan V pada bahan elektroda, berasal dari pengamatan tanda-tanda pada permukaan elektroda. Kawah yang diamati pada anoda dan daerah meleleh pada katoda atau sebaliknya setelah breakdown tunggal.

(d) Ringkasan
Meskipun telah ada sejumlah besar pekerjaan yang dilakukan pada fenomena kerusakan ruang hampa, sejauh ini, tidak ada teori tunggal telah mampu menjelaskan semua pengukuran eksperimental yang tersedia dan pengamatan. Karena ada bukti eksperimental untuk semua mekanisme didalilkan, tampak bahwa mekanisme masing-masing akan bergantung, untuk sebagian besar, pada kondisi di mana percobaan dilakukan. Faktor-faktor eksperimental paling signifikan yang mempengaruhi mekanisme breakdown adalah: kesenjangan (celah, selang) panjang, geometri dan material dari elektroda, keseragaman permukaan dan perlakuan permukaan, keberadaan partikel asing dan tekanan gas sisa dalam kesenjangan/celah/selang ruang hampa. Diamati bahwa pilihan yang tepat dari bahan elektroda, dan penggunaan lapisan isolasi tipis di celah panjang dapat ditingkatkan tegangan breakdown dari kesenjangan ruang hampa. Di sisi lain, peningkatan luas elektroda atau adanya partikel dalam kesenjangan ruang hampa akan mengurangi tegangan breakdown.