Resume

Dalam Sistem Tegangan Tinggi

Saluran tegangan tinggi dapat menimbulkan masalah terhadap sistem tegangan tinggi itu sendiri yang meliputi :

a. KoronaTingginya gradien tegangan pada permukaan penghantar memungkinkan muatan lepas dari permukaan penghantar tersebut.

Gambar 1.6. Korona Pada Isolator Pin (duduk) Saluran 11 kVLepasnya muatan tersebut dalam skala yang besar akan terlihat seperti cahaya di sekitar permukaan penghantar (lihat gambar 1.6). Hal inilah yang disebut sebagai korona dan dapat menimbulkan rugi-rugi daya pada penghantar. Korona dapat ditekan dengan memperluas penampang penghantar dengan membuatanya berbentuk bundle (pilin). Korona pada isolator dapat menyebabkab isolator pecah.

b. Rugi-rugi dayaSaluran transmisi memiliki resistansi yang akan menimbulkan rugi-rugi daya sebagaimana dijelaskan pada sub-bab 1.2. Rugi-rugi daya ini dapat dikurangi dengan mempertinggi tegangan sistem yang digunakan.

c. Tegangan lebihSaluran tegangan tinggi mempunyai kapasitansi yang terdistribusi di sepanjang penghantar. Kapasitansi ini terdiri atas kapasitansi terhadap tanah dan kapasitansi terhadap kawat-kawat fasa. Adanya arus pada kapasitansi ini atau arus bocor akan mengakibatkan tegangan lebih pada ujung saluran tanpa beban. Hal ini dapat diatasi dengan kompensasi oleh inductor.

d. ImpulsImpuls dapat terjadi pada proses switching yang harus dilakukan pada saat pemasukan atau pelepasan beban. Operasi ini menimbulkan perubahan

terhadap parameter dinamis system dengan seketika yang kemudian dikenal dengan impuls. Adanya impuls ini dapat merusak peralatan terutama isolasi.

e. Gangguan petirPemasangan instalasi tegangan tinggi biasanya berada lebih tinggi dibanding saluran tegangan rendah, hal ini menyebabkan kemungkinan terkena sambaran petir lebih tinggi. Gangguan petir ini dapat diatasi dengan perlindungan terhadap petir. Peralatan yang biasanya digunakan adalah Lightning Arrester, yang dipasang di dekat peralatan listrik vital seperti transformator.

Kegagalan (Breakdown) dalam Gas

3.1. Ionisasi

Ionisasi karena Benturan (Collision)

Proses ionisasi karena benturan terjadi jika sebuah elektron bebas

menumbuk/membentur molekul gas (udara) dan menimbulkan elektron baru dan

ion positif.

Ionisasi Karena Cahaya (Fotoinonisasi)

Proses ionisasi membutuhkan energi, jika energi cahaya dengan frekuensi f sebesar h.f dengan h adalah konstanta Plank maka Kuantum energi atau foton ini akan dapat mengionisasi molekul yang netral dalam gas apabila

h.f ≥ Wi (3 – 3)

dalam hal ini Wi adalah energi ionisasi yang dimiliki oleh logam Katoda. Jika energi cahaya lebih kecil dari energi ionisasi maka tidak terjadi ionisasi bahkan cahaya tersebut akan terserap ke dalam molekul gas. Ionisasi akan terjadi jika panjang gelombang cahaya yang dikenakan memenuhi persamaan berikut

λ≤c .hWi

(3 – 4)

dalam hal ini Wi = energi ionisasi atom (joule)λ = panjang gelombang cahaya (m)h = konstanta Plank (6,6 . 10-34 Js)c = kecepatan cahaya di udara (3.108 m/s)

menurut MS Naidu dalam bukunya High Voltage Engineering, berdasarkan penelitian cahaya yang memiliki panjang gelombang 1250 Å dapat menyebabkan

fotoinonisasi hampir pada semua gas. Secara umum proses fotoionisasi dapat dinyatakan dengan persamaan

A + h.f A+ + e- (3 – 5)

Dengan h.f adalah energi foton, f adalah frekuensi cahaya dan e adalah foto elektron yang lepas dari katoda. A adalah molekul mula-mula dan A+ adalah molekul yang 1 elektronnya lepas.

3.1.3.Thermal Ionisasi

Thermal ionisasi terjadi karena adanya energi yang disebabkan oleh

pemberian kalor pada atom netral. Sebagaimana yang kita ketahui bahwa semakin

besar suhu suatu atom maka atom tersebut akan memperoleh energi sehingga

atom tersebut bergerak lebih cepat dan membentur atom-atom yang lain, saat

tersebut memungkinkan terjadinya ionisasi.

3.2. Mekanisme Kegagalan Townsend

3.2.1. Mekanisme Primer

Mekanisme primer adalah mekanisme yang memungkinkan terjadinya avalanche (banjiran elektron), mekanisme ini merupakan proses lepasnya elektron dari Katoda baik karena cahaya atau penyebab lain. Dalam hal ini katoda (pelepas elektron) berfungsi sebagai :

a. menyediakan elektron awal yang harus dilepaskanb. mepertahankan pelepasanc. menyelesaikan pelepasan

Sebagaimana dapat dilihat pada gambar 3.1. setelah elektron lepas dari

katoda, ia masuk ke daerah medan listrik yang terdapat antara katoda dan anoda

sehingga gerakannya dipercepat. Pada saat elektron bergerak sejauh x dari katoda

maka jumlah elektron akan bertambah.

Mekanisme Sekunder

Mekanisme sekunder merupakan kelanjutan dari mekanisme primer, dapat dijelaskan sebagai berikut. Pada saat terjadi pelepasan elektron dari katoda maka di katoda tinggallah muatan positif. Elektron yang lepas dari katoda tersebut dipercepat oleh medan listrik, elektron tersebut akan menumbuk molekul - molekul atau atom - atom yang terdapat di antara katoda dan anoda, tumbukan tersebut dapat menghasilkan elektron-elektron baru. Elektron-elektron ini akan membentuk

K A

e atom

Ion + e

banjiran elektron (avalanche) menuju anoda. Selain menghasilkan elektron, tumbukan juga menghasilkan ion positif. Jika elektron bergerak menuju anoda maka ion positif bergerak menuju katoda, tetapi karena ion positif mempunyai massa yang lebih besar (1,6 . 10-27 Kg) gerakannya lebih lambat dibading elektron. Proses ini dapat dijelaskan oleh gambar berikut

Gambar 3.4. Mekanisme Kegagalan Sekunder

Mekanisme sekunder merupakan mekanisme penting, emisi elektron karena benturan ion positif pada katoda. Jika ion positif tersebut ditembakkan ke permukaan katoda maka akan dibebaskan elektron dari katoda dan akan terjadi banjiran elektron sekunder, hal ini tergantung pada jarak antara katoda dan anoda. Kegagalan akan terjadi jika jumlah ion positif hasil tumbukan sama atau lebih besar dari jumlah ion positif yang dibutuhkan untuk terjadinya banjiran sekunder.

Proses Kegagalan Zat Cair

Kegagalan Elektronik pada Zat Cair

Zat cair dianggap berkelakuan seperti gas, maka agar terjadi kegagalan diperlukan adanya elektron awal yang dimasukkan dalam zat cair. Elektron awal inilah yang akan memulai proses kegagalan. Walaupun kuat medannya cukup besar, tetapi jika tidak terdapat elektron awal maka tidak akan terjadi kegagalan. Jika di antara elektroda tersebut diterapkan kuat medan yang kuat, sedangkan pada elektroda tersebut terdapat permukaan yang tidak rata (runcing), maka kuat medan yang terbesar terdapat pada bagian ujung (paling runcing). Kuat medan maksimum tersebut kemudian akan mengeluarkan elektron e1 yang akan memulai terbentuknya banjiran elektron. Dalam teori kegagalan elektronik dianggap bahwa elektron-elektron tertentu akan memperoleh energi dari medan yang lebih besar daripada energi yang hilang karena benturan dengan molekul-molekul.

Kegagalan Gelembung pada Zat Cair (Bubble Theory)

R1

R2

Kegagalan gelembung atau kavitasi atau gas pada zat cair merupakan bentuk kegagalan zat cair yang disebabkan oleh adanya gelembung-gelembung gas di dalamnya. Menurut Kao dan Krasucki, hal tersebut disebabkan oleh :

1. permukaan elektroda tidak rata, sehingga terdapat kantong-kantong udara di permukaannya;

2. adanya tumbukan elektron, sehingga timbul gas;3. penguapan cairan karena adanya lucutan pada bagian-bagian elektroda yang

tajam dan tak teratur;4. zat cair mengalami perubahan suhu dan tekanan.

Kegagalan Bola Cair dalam Zat Cair

Jika zat cair mengandung bola-bola cair dari jenis cairan yang lain, maka dapat mengakibatkan kegagalan pada zat cair tersebut. Hal ini disebabkan oleh ketidakstabilan bola cair tersebut dalam medan listrik. Medan listrik ini akan mempunyai pengaruh kepada bentuk bola cair. Bola cair yang dikenai medan listrik E akan berubah bentuk menjadi sferoid dengan medan di dalamnya sebesar E2. Maka hubungan antara kedua medan tersebut adalah

Gambar 5.3. Medan Listrik yang Berbentuk Sferoid

E2=ε1E

ε1−( ε1−ε2)G (5 – 2)

dengan G= 1

γ 2−1 {γ .cosh−1γ( γ2−1)1/2 −1}

(5 – 3)

danγ=R2

R1 (5 – 4)Dalam persamaan di atas

R1 = jari-jari pendek sferoidR2 = jari-jari panjang sferoidε1 = permitivitas zat isolasi cairε2 = permitivitas bola cairContoh kegagalan dielektrik cair karena adanya bola cair ditunjukkan oleh

gambar 5.4. sesudah terjadi ketidakstabilan bola cair memanjang, dan bila

Elektroda

Elektroda

Zat Cairbutiran

ε1ε2 F

panjangnya telah mencapai dua pertiga celah elektroda maka saluran-saluran lucutan akan timbul yang akan menyebabkan kegagalan total.

Gambar 5.4. Contoh Kegagalan Bola Cair dalam Isolasi Cair

Kegagalan Butiran Padat dalam Zat Cair

Kegagalan butiran zat padat adalah jenis kegagalan yang disebabkan oleh adanya butiran zat padat dalam isolasi cair yang akan memulai terjadinya kegagalan. Butiran padat tersebut memiliki permitivitas yang berbeda dengan zat isolasi cair. Jika butiran-butiran tersebut mempunyai permitivitas ε2 dan zat isolasi cair mempunyai permititivitas ε1 maka besarnya gaya yang bekerja pada butiran dalam medan yang tak seragam menurut Kok adalah

F= 12r 3

ε2−ε1

2 ε1+ε2

grad .E2

(5 – 5)

dengan r adalah jari-jari butiran dan E adalah gradient teganganTerdapat dua kemungkinan yang dapat terjadi :

1. jika ε2 > ε1 maka arah gaya yang bekerja pada butiran searah dengan tekanan listrik maksimum sehingga gaya akan mendorong butiran ke arah bagian yang terkuat dari medan;

2. jika ε2 < ε1 maka arah gaya berlawanan dengan tekanan listrik maksimum.Apabila ε2 semakin besar maka F akan semakin besar pula, Untuk medan

listrik yang seragam seperti di antara elektroda piringan sejajar atau elektroda bola dengan celah kecil maka grad E2 sama dengan nol dan butiran dalam keadaan seimbang. Hal ini menyebabkan butiran akan ditarik oleh gaya pada persamaan di atas, yang akan menyebabkan butiran-butiran zat padat seolah-olah membentuk jembatan yang akhirnya akan mengawali terjadinya kegagalan.

Gambar 5.5. Mekanisme Kegagalan karena Butiran Padat dalam Zat Cair

Adanya butiran penghantar di antara elektroda akan menyebabkan pembesaran medan dalam zat isolasi cair di dekat butiran. Pembesaran medan ini dipengaruhi oleh bentuk butiran, yaitu :

1. untuk butiran bulat (γ = 1) E1 = 3 E2. untuk butiran sferoid (γ = 2) E1 = 5,8 E3. untuk butiran sferoid (γ = 5) E1 = 18 E

di mana γ adalah perbandingan jari-jari panjang terhadap jari-jari pendek sferoidE adalah medan dalam cairan tanpa butiranE1 adalah medan dalam cairan pada ujung butiran

Apabila E1 melebihi tegangan gagal cairan maka akan terjadi kegagalan setempat yang kemudian menimbulkan gelembung-gelembung yang akhirnya dapat menyebabkan kegagalan total pada cairan.

Kegagalan Campuran Zat Cair-Padat

Beberapa peralatan listrik terbuat dari bahan campuran cair dan padat seperti kapasitor, kabel tegangan tinggi dan transformator. Namun yang paling banyak digunakan adalah kertas yang dicelup dalam minyak. Walaupun memiliki kelemahan (mudah menyerap air) tetapi kertas tetap dipakai karena mudah diperoleh, tidak mahal dan mudah digunakan.

Selain disebabkan oleh tegangan lebih kegagalan pada isolasi cair-padat biasanya disebabkan oleh proses pemburukan yang lamban oleh rugi-rugi dielektrik. Dalam medan listrik terdapat dua jenis pemburukan yang mengakibatkan kegagalan isolasi cair-padat yaitu :

1. pemburukan karena pelepasan dalam2. pemburukan elektrokimiawi

Pemburukan jenis pertama pada bahan dielektrik cair-padat organis, pelepasan mengakibatkan pemburukan perlahan-lahan karena :

a. disintegrasi dielektrika padat karena pemboman oleh elektron dan ion yang dihasilkan oleh pelepasan.

b. aksi kimiawi pada dielektrik dari hasil ionisasi gasc. suhu tinggi di daerah pelepasan

Sedangkan pada dielektrik cair-padat tak organis dengan kestabilan kimiawi yang tinggi, pelepasan dalam kandungan gas dapat merusak bahan karena pemanasan setempat akibat pelepasan yang dapat menyebabkan tekanan-tekanan

mekanis dalam bahan. Selain itu juga dapat membentuk retakan dan mengakibatkan kegagalan melelui retakan.

Pemburukan jenis kedua, ion-ion yang dibebaskan oleh arus pada elektroda dapat menyebabkan kerusakan. Derajat kerusakanya tergantung pada sifat ion yang terbawa dan pada reaksi kimiawinya dengan isolasi. Pemburukan ini merupakan penyebab utama kegagalan pada dielektrik kertas cair seperti pada kapasitor.

Apabila dilakukan pengukuran pada dielektrik padat yang dicelup tak sempurna dalam cairan (minyak) sehingga menimbulkan gas di dalamnya, maka pelepasan akan terjadi pada tekanan listrik rendah dan sering lebih rendah dari tekanan listrik normal. Semua rongga dalam dielektrik dapat dihilangkan dengan mencelupkan zat padat dengan sempurna pada isolasi cair. Hal ini akan menaikkan tekanan listrik mula pelepasan, nilai tekanan listrik ini tergantung pada proses listrik yang menyebabkan gas terjadi.

Bila gelembung gas terjadi pada dielektrik kertas-minyak pada tekanan mula pelepasan Ei, maka pelepasan dalam gelembung akan merusak minyak dan menambah jumlah gas yang terjadi sehingga gelembung menjadi semakin besar dan pelepasan ini akan merusak dielektrik.

Tegangan tinggi yang diterapkan atau dialami oleh sistem tenaga dapat berupa:a. Tegangan biasa (normal), yaitu tegangan yang seharusnya dapat ditahan

oleh sistem tersebut untuk waktu tak terhingga.b. Tegangan lebih (overvoltage) yang hanya dapat ditahan untuk waktu

terbatas Tegangan lebih dapat dibagi menjadi 2 golongan berdasarkan 1. Bentuknya, yakni: a. tegangan periodik b. tegangan a-periodik 2. Sebab: a. Sebab luar (external overvoltage), contoh: petir b. Sebab dalam (internal overvoltage), contoh: switching surges3. Macamnya: a. Tegangan lebih luar (natural overvoltage) contoh: petir b. Tegangan lebih dalam (man-made overvoltage) contoh: proses switching.4. Klasifikasi menurut International Electrotechnical Commision: a. Tegangan lebih petir b. Tegangan lebih surja hubung c. Tegangan lebih sementara (temporary overvoltage) ialah: tegangan lebih fasa-ke-tanah atau fasa-ke-fasa yang berosilasi, berlangsung lama dan tidak atau kurang teredam (weakly damped)

Pada umumnya kegagalan alat-alat listrik pada waktu sedang dipakai disebabkan karena kegagalan isolasinya dalam menjalankan fungsinya sebagai isolator tegangan tinggi.Kegagalan isolasi (isolation breakdown, insulation failure) ini disebabkan karena beberapa hal antara lain: - isolasi tersebut sudah dipakai untuk waktu yang lama - kerusakan mekanis - berkurangnya kekuatan dielektriknya - karena isolasi tersebut dikenakan tegangan lebih.Tujuan pengujian tegangan tinggi:

1. Menemukan bahan (didalam atau yang menjadi komponen suatu alat tegangan tinggi) yang kwalitasnya tidak baik, atau yang cara membuatnya salah.

2. Memberikan jaminan bahwa alat-alat listrik dapat dipakai pada tegangan normalnya untuk waktu yang tak terbatas.

3. Memberikan jaminan bahwa isolasi alat-alat listrik dapat tahan terhadap tegangan lebih (yang didapati dalam praktek operasi sehari-hari) untuk waktu terbatas.

Pengujian dapat dikategorikan menjadi dua:1. Tidak merusak (non destructive) alat yang diuji, misal: pengukuran tahanan

isolasi, pengukuran faktor daya dielektrik (dielectric power factor), pengukuran korona dsb.

2. Merusak (destructive). Terdiri dari 3 tahap yang bergantung kepada tingkat tegangan:a. Pengujian ketahanan (withstand test): sebuah tegangan tertentu

diterapkan untuk waktu yang ditentukan. Bila tidak terjadi lompatan api (flashover, disruptive discharge), maka pengujiannya dianggap memuaskan. b. Pengujian pelepasan (discharge test): tegangannya dinaikkan sehingga terjadi pelepasan pada benda yang diuji. Sudah barang tentu tegangan pelepasan ini lebih tinggi dari tegangan ketahanan. Pengujiannya dapat dilakukan dalam suasana kering (udara biasa) dan suasana basah (menirukan keadaan hujan). c. Pengujian kegagalan (breakdown test): tegangan dinaikkan sampai terjadi kegagalan (breakdown) di dalam benda (specimen) yang diuji.