Pengujian Bahan Isolasi Gas (Udara)

 

1.    Pengertian Umum

Keberadaan isolator dalam sistem tenaga listrik sangat penting. Isolasi sangat diperlukan untuk memisahkan dua atau lebih penghantar listrik yang bertegangan sehingga antara penghantar-penghantar tersebut tidak terjadi lompatan listrik atau percikan.Sedangkan media isolasi sebagai bahan isolasi sangat banyak sekali macamnya. Tingginya tingkat kerusakan bahan isolasi yang ketahanan elektriknya rendah akan menyebabkan terjadi tegangan tembus yang dapat merusak dari bahan isolasi itu sendiri. Kebutuhan akan kualitas isolasi yang baik, menyebabkan jenis dari bahan isolasi dengan tingkat ketahanan pengisolasi yang berbeda-beda mulai ditemukan, adapun bahan isolasi meliputi isolasi gas, isolasi cair dan isolasi padat dimana masing-masing isolasi tersebut memiliki tingkat ketahanan elektrik dan tegangan tembus yang berbeda.

Bahan isolasi akan menunjukkan sifatnya bila dipengaruhi oleh medan listrik, jika medan listrik tersebut berasal dari arus bolak-balik maka gejalanya adalah sangat kompleks sekali. Gas ataupun udara merupakan salah satu media bahan isolasi yang termasuk dalam bahan dielektrik. Tegangan tembus isolasi merupakan tegangan yang mampu merusak ketahanan isolasi dari sutau bahan isolasi, sehingga untuk mengetahui perbandingan ketahanan dielektrik jenis bahan isolasi, maka dilakukan pengujian tegangan tembus sehingga dapat juga diketahui karakteristik tegangan tembus terhadap pengaruh temperatur dan jarak sela antara elektroda jarum-plat sehingga diharapkan dapat diperoleh pemahaman yang lebih baik tentang mekanisme kegagalan (breakdown) pada isolasi gas khususnya udara.

Bahan isolasi akan mengalami pelepasan muatan yang merupakan bentuk kegagalan listrik apabila tegangan yang diterapkan melampaui kekuatan isolasinya. Kegagalan yang terjadi pada saat peralatan sedang beroperasi bisa menyebabkan kerusakan alat sehingga kontinuitas sistem terganggu. Udara merupakan bahan isolasi yang banyak digunakan pada peralatan tegangan tinggi misalnya pada arrester sela batang yang terpasang di saluran transmisi, selain itu udara juga digunakan sebagai media peredam busur api pada pemutus tenaga (CB = Circuit Breaker). Sementara bahan isolasi cair banyak digunakan sebagai isolasi dan pendingin pada trafo karena memiliki kekuatan isolasi lebih tinggi. Hasil pengujian menunjukkan bahwa nilai tegangan tembus yang terjadi pada media isolasi udara dan minyak cenderung meningkat seiring pertambahan jarak sela. Selain itu juga dilakukan pengujian pada minyak bekas dan minyak baru. Hasil pengujian menunjukkan tegangan tembus pada minyak baru lebih tinggi daripada minyak bekas dan tegangan tembus isolasi udara lebih kecil daripada tegangan tembus minyak.

Selain itu juga akan dilakukan pengujian karakteristik korona, dimana telah diketahui bahwa korona merupakan salah satu fenomena akibat dari tegangan tinggi. Proses terjadinya korona yaitu karena adanya ionisasi dalam udara, oleh karena lepasnya elektron dan ion, maka jika disekitarnya terdapat medan listrik, elektron-elektron bebas ini mengalami gaya yang mempercepat geraknya. Akibat dari pergerakan yang cepat maka terjadilah tabrakan dengan molekul lainnya. Pada penelitian ini telah dilakukan pengujian di laboratorium untuk mengetahui karakteristik dari korona dan karakteristik tegangan tembus udara dengan kondisi elektroda yang berbeda-beda.

Udara merupakan bahan isolasi yang mudah didapat dan mempunyai tegangan tembus yang cukup besar yaitu 30kV/cm. Contoh yang mudah dapat dijumpai pada JTR, JTM, dan JTT antara hantaran yang satu dengan yang lain dipisahkandengan udara. Isolasi udara (gas) aplikasinya lebih banyak digunakan padaisolasi saluran transmisi udara dan pada GIL (Gas Insulated Transmission Lines),pada CB dan sakelar pemisah. Dalam pemilihan bahan isolasi lebih diberatkan pada keandalan dari bahan isolasi itu sendiri maupun biaya operasional dariisolasi itu sendiri. Salah satu cara yang ditempuh adalah dengan memilih bahanisolasi yang cocok digunakan pada suatu peralatan tegangan tinggi denganmemperhitungkan keandalan dan kesederhanaan dari isolasi itu sendiri.Susunan udara di muka bumi, terdiri atas 79% Nitrogen (N₂) dan 20% Oksigen (O₂), sedangkan sisanya adalah sekitar 1% terdiri dari: Argon, Helium, Neon, Kripton, karbondioksida dan lain-lain.

Pada sistem jaringan tenaga listrik, maka udara merupakan bahan penyekat antara kawat konduktor atau antara kawat konduktor dengan tanah. Pada tekanan yang tidak terlalu tinggi, udara merupakan bahan penyekat yang baik, kebocoran melalui udara adalah kecil sekali. Tetapi pada tekanan yang cukup tinggi, maka akan terjadi loncatan elektron di udara. Udara sering juga digunakan sebagai pendingin.

Apabila dua buah elektroda yang dipisahkan dengan udara mempunyai bedategangan yang cukup tinggi yaitu tegangan yang melebihi tegangan tembus, makaakan timbul loncatan bunga api. Bila tegangan tersebut dinaikkan lagi, maka akanterjadi busur api.Jika terdapat dua buah elektroda berbentuk bulat dipisahkan dengan udarayang jaraknya cukup besar untuk harga tegangan dan memungkinkan terjadinyaionisasi pada udara sekitarnya maka terbentuklah ozon. Pada sekitar elektrodatersebut akan timbul sinar terang kebiru-biruan yang disebut korona.

Besarnya tegangan tembus pada udara dipengaruhi oleh besarnya tekananudara. Secara umum, makin besar tekanannya, makin besar juga tegangantembusnya. Tetapi untuk keadaan pakem justru tegangan tembus akan menjadilebih besar. Keadaan yang demikian inilah yang digunakan atau diterapkan pada beberapa peralatan listrik.Berikut beberapa jenis gas yang biasa digunakan sebagai isolasi :

1.   Hidrogen

Sifat-sifatnya adalah:

• ·         tidak berwarna dan tidak berbau
• ·         merupakan gas yang paling ringan
• ·         mudah terbakar tetapi tidak memelihara pembakaran
• ·         bila bercampur dengan udara mudah meletus
• ·         tegangan tembusnya 18 kV/cm
• ·         gas hidrogen ekonomis bila dipergunakan pada mesin-mesin kapasitas 15 MW ke atas.

Keuntungan pengunaan gas hidrogen dibandingkan dengan udara

• ·         Kebisingan suara berkurang
• ·         Temperatur pendinginan yang dibutuhkan relatif rendah
• ·         Efisiensi dapat naik  antara 0,7 sampai 1% lebih tinggi dengan kepekatan Hidrogen 8 sampai 10 kali lebih rendah daripada udara.
• ·         Daya hantar panas hidrogen 6 sampai 7 kali lebih besar daripada udara.
• ·         Tidak membutuhkan pengamanan terhadap bahaya kebakaran (hidrogen tidak memelihara kebakaran).

2.   Sulfur Heksafluorida (SF₆)

Sulfur heksafluorida (SF₆) merupakan suatu gas hasil reaksi eksotermis antara unsur sulfur dengan fluor.

Sifat-sifatnya :

• ·         Merupakan gas terberat (massa jenisnya 6,14 kg/m³ atau sekitar 5 kali berat udara )
• ·         Tidak mudah terbakar
• ·         Tidak larut dalam air
• ·         Tidak beracun
• ·         Tidak berwarna dan tidak berbau
• ·         Tegangan tembusnya sangat tinggi yaitu 75 kV/cm
• ·         Tepat sekali digunakan sebagai pendingin pada peralatan listrik yang menimbulkan panas atau bunga api.

2.   Proses Dasar Ionisasi

Ion merupakan atom atau gabungan atom yang memiliki muatan listrik, ion terbentuk apabila pada peristiwa kimia suatu atom unsur menangkap atau melepaskan elektron. Proses terbentuknya ion dinamai dengan ionisasi. Ionisasi adalah proses fisik mengubah atom atau molekul menjadi ion dengan menambahkan atau mengurangi partikel bermuatan seperti elektron atau lainnya.Jika diantara dua elektroda yang dimasukkan dalam media gas diterapkan tegangan V maka akan timbul suatu medan listrik E yang mempunyai besar dan arah tertentu yang akan mengakibatkan electron bebas mendapatkan energi yang cukup kuat menuju kearah anoda sehingga dapat merangsang timbulnya proses ionisasi.

Proses ionisasi ke muatan positif atau negatif sedikit berbeda. Ion bermuatan positif didapat ketika elektron yang terikat pada atom atau molekul menyerap energi cukup agar dapat lepas dari potensial listrik yang mengikatnya. Energi yang dibutuhkan tersebut disebut potensial ionisasi. Ion bermuatan negatif didapat ketika elektron bebas bertabrakan dengan atom dan terperangkap dalam kulit atom dengan potensial listrik tertentu

Dalam proses pelepasan listrik ada beberapa mekanisme pembangkitan atau kehilangan ion baik dalam bentuk tunggal maupun dalam kombinasi. Proses dasar pelepasan dalam gas meliputi :

a.    Pembangkitan ion dengan cara benturan (collision)elektron, fotoionisasi, ionisasi oleh benturan ion positif,ionisasi termal, pelepasan (detachment) elektron, ionisasikumulatif dan efek γ sekunder.

b.    Kehilangan ion dengan cara penggabungan (attachment)elektron, rekombinasi dan difusi.

2.1 Ionisasi karena Benturan Elektron

Jika gradien tegangan yang ada cukup tinggi maka jumlah elektron yang diionisasikan akan lebih banyak dibandingkan dengan jumlah ion yang ditangkap molekul oksigen. Tiap-tiap elektron ini kemudian akan berjalan menuju anoda secara kontinu sambil membuat benturan-benturan yang akan membebaskan electron lebih banyak lagi. Ionisasi karena benturan ini merupakan proses dasar yang penting dalam kegagalan udara atau gas.

Sebuah elektron tunggal yang dibebaskan oleh pengaruhluar pada proses ionisasi tersebut akan menimbulkan banjiran elektron (avalanche), yaitu kelompok elektron yang bertambah secara cepat dan bergerak maju meninggalkan ion positif pada lintasannnya. Proses pelepasan (discharge) pada udara dan gas dapat dibagi menjadi 2 bagian, yaitu pelepasan bertahan sendiri (self sustaining discharge) dan pelepasan tak bertahan sendiri (non sustaining discharge). Dalam hal ini mekanisme kegagalan gas dan udara adalah suatu bentuk transisi dari keadaan pelepasan tak bertahan menuju pelepasan bertahan sendiri.

3.   Mekanisme Kegagalan Gas

Proses kegagalan dalam gas ditandai dengan adanya percikan secara tiba-tiba(spark breakdown), percikan ini dapat terjadi karena adanya pelepasan yang terjadi pada gas tersebut. Mekanisme kegagalan gas yang disebut percikan adalah peralihan dari pelepasan tak bertahan sendiri ke berbagai pelepasan yang bertahan sendiri. Ada dua jenis mekanisme dasar yang berperan yaitu :

1.    Mekanisme primer, yang memungkinkan terjadinya banjiran (avalanche) elektron.

2.    Mekanisme sekunder, yang memungkinkan terjadinya peningkatan banjiran (avalanche) elektron.

Pada mekanisme primer, proses yang terpenting adalah katoda. Dalam hal ini katoda akan melepas (discharge) elektron, yang akan mengawali terjadinya suatu kegagalan percikan (spark breakdown). Sehingga untuk hal ini elektroda yang mempunyai potensial yang lebih rendah, yaitu katoda akan menjadi elektroda yang melepaskan elektron.

Proses dasar yang paling penting dalam kegagalan gas adalah proses ionisasi karena benturan, tetapi proses ini tidak cukup untuk menghasilkan kegagalan. Proses lain yang terjadi dalam kegagalan gas adalah proses atau mekanisme primer dan proses atau mekanisme sekunder. Proses yang terpenting dalam mekanisme primer adalah proses katoda, pada proses ini diawali dengan pelepasan elektron oleh suatu elektroda yang diuji, peristiwa ini akan mengawali terjadinya kegagalan percikan (spark breakdown). Elektroda yang memiliki potensial rendah (katoda) akan menjadi elektroda yang melepaskan elektron. Elektron awal yang dibebaskan (dilepaskan) oleh katoda akan memulai terjadinya banjiran elektron dari permukaan katoda. Jika jumlah elektron yang dibebaskan makin lama makin banyak atau terjadinya peningkatan banjiran.

4.   Mekanisme Townsend

Pada mekanisme primer, medan listrik yang ada di antaraelektroda akan menyebabkan elektroda yang dibebaskanbergerak cepat, sehingga timbul energi yang cukup kuat untuk menimbulkan banjiran elektron.Mekanisme Townsend menjelaskan tentang fenomena kegagalan yang hanya terjadi pada tekanan yangrendahdibawah tekanan atmosfer. Pada tekanan diatas tekanan atmosfer berlaku mekanisme strimer yang mempersyaratkan adanya distorsi medan karena muatan ruang.

5.   Mekanisme Streamer

Mekanisme strimer (streamer) menjelaskan pengembangan pelepasan percikan langsung dari banjiran tunggal di mana muatan ruang (space charge) yang terjadi karena banjiran itu sendiri mengubah banjiran tersebut menjadi strimer plasma. Sesudah itu kehantaran naik dengan cepat dan kegagalan terjadi dalam alur (channel) banjiran ini.

Ciri utama teori kegagalan strimer, disamping proses ionisasi benturan ( α ) Townsend, adalah postulasi sejumlah besar fotoionisasi molekul gas dalam ruang didepan strimer dan pembesaran medan listrik setempat oleh muatan ruang ion pada ujung strimer, dimana ruangan ini menimbulkan distorsi medan dalam sela. Ion-ion positif dapat dianggap stasioner dibandingkan dengan elektron-elektron yang bergerak lebih cepat, dan banjiran terjadi dalam sela dalam bentuk awan elektron yang membelakangi muatan ruang ion positif.

Ada dua jenis strimer :

1.   Positif, atau strimer yang mengarah ke katoda

2.   Negatif, atau strimer yang menuju ke anoda