Breakdown pada dielektrik gabungan

4.6 Breakdown pada dielektrik gabungan

Gabungan murni dari suatu isolasi berasal dari peralatan mekanik yang memiliki konduktor terpisah yang mempunyai beda potensial. Dielektrik gabungan yang umumnya ditemui, merupakan kombinasi dari solid/liquid (liquid  yang mengandung bahan solid flexible setipis kertas atau plastic). Tipe dielektrik gabungan ini biasanya digunakan pada piranti dengan variasi tegangan (rendah dan tinggi), seperti pada kabel, kapasitor, transformator, oil-filled switchgear, bushing, dll.

Dalam prakteknya, untuk mengurangi efek yang tidak diinginkan pada isolasi gabungan, digunakan kombinasi dielektrik yang berbeda dalam seri atau parallel untuk menghasilkan isoasi yang bagus daripada material tunggal dengan ketebalan yang sama.

Ø  Bagian dari dielektrik gabungan

Dielektrik gabungan biasanya terdiri dari beberapa lapis yag disusun secara bertingkat. Beberapa bagian dari dielektrik gabungan, yaitu :

a)      Efek dari lapisan ganda

Dielektrik gabungan yang paling sederhana terdiri dari 2 lapisan dengan material yang sama. Keuntungannya, 2 lapis memiliki kekuatan dielektrik yang lebih tinggi daripada 1 lapis dengan ketebalan yang sama. Keuntungan ini penting pada material karena mempunyai variasi ukuran kekuatan dielektriknya pada titik yang berbeda di permukaannya.

b)      Efek dari ketebalan lapisan

Kenaikan dari ketebalan lapisan, secara normal memberikan kenaikan pada tegangan breakdown. Pada suatu lapisan, saluran breakdown terjadi hanya pada interfaces dan tidak secara langsung diteruskan ke lapisan lain. Begitu juga discharge yang terjadi., bisa menembus satu lapisan dan tidak bisa menembus lapisan lain sampai permukaannya juga memiliki tegangan yang memungkinkan untuk terjadinya discharge.

c)       Efek dari interfaces

Interfaces antara 2 permukaan menentukan kekuatan pre-breakdown dan breakdown. Penembakan biasanya terjadi pada interfaces dan biasanya penembakan tergantung pada resistansi dan kapasitansi dari permukaannya. Ketika konduktivitas permukaan meningkat, besarnya penembakan juga meningkat, dan bisa menyebabkan kerusakan pada dielektrik.

Ø Mekanisme breakdown pada dielektrik gabungan

Jika kerugian dielektrik minimal, jumlah panas yag dihasilkan akan rendah dan thermal breakdown tidak akan terjadi meskipun beberapa factor lain bisa menyebabkan short dan long-time breakdown.

a)      Short-term breakdown

Jika daerah tekanan sangat tinggi, kegagalan mungkin akan terjadi secepat mungkin tanpa merusak permukaan isolasi sebelum terjadi breakdown. Telah diketahui bahwa breakdown ditimbulkan dari satu atau banyak discharge ketika penggunaan tegangan mendekati nilai breakdown tersebut. Ada sebuah tekanan kritis saat discharge pada dielektrik menimbulkan jarak sehingga bisa masuk isolasi dari permukaan dan menyebar secara cepat ke dalam jumlahnya dan bisa menyebabkan breakdown.

discharge tunggal pada material isolasi menunjukkan bahwa breakdown terjadi lebih cepat ketika daerah isolasi serupa sehingga membantu unsur pembebanan pada discharge untuk menembus isolasi.

b)      Long-term breakdown

Biasanya disebut penuaan isolasi. Efek utama yang menentukan penuaan dari isolasi yang mengontrol kenaikan breakdown dari proses thermal dan partial discharge. Partial discharge terjadi dalam bagian isolasi gabungan. Akumulasi beban dan konduksi dari permukaan isolasi juga mempengaruhi pnuaan  dan kegagalan dari isolasi.

·   Penuaan  dan breakdown berdasarkan partial discharge

Tegangan yang ditimbulkan :

Ketika  dianggap konstan, maka :

·   Penuaan dan breakdown berdasarkan jumlah pembebanan pada permukaan isolasi

Selama penembakan pada bahan padat, cair, padat-gas, solid-vacuum interfaces. Jumlah dari pembebanan bisa menyebabkan deposit pada permukaan isolasinya.

4.7.3 Mika dan Produknya

Mika adalah jenis yang umum dari kristal mineral silikat dari alumina dan potash (abu karbonat). Mica diklasifikasikan kepada empat kelompok utama :

a.    Muscovite

b.   Phlogopite

c.    Fibiolite

d.   Lipidolite

Fibiolite dan lipidolite adalah jenis yang keras dan rapuh, karena itu keduanya tidak cocok digunakan untuk isolasi. Mika dapat dijadikan ke bentuk plat datar yang sangat tipis. Mika memiliki kombinasi yang unik sebagai bahan/peralatan elektrik, seperti kekuatan dielektrik yang tinggi, rugi-rugi dielektrik rendah, tahan terhadap panas yang tinggi, dan kekuatan mekanis yang baik. Hal tersebut memungkinkan mika digunakan di banyak perlengkapan elektrik. Mika yang murni digunakan pada aplikasi dengan frekuensi yang tinggi. Spot mika digunakan untuk isolasi tegangan rendah, seperti untuk pemisah segmen komutator, lilitan jangkar, switchgear, dan pada peralatan pemanas dan pendingin elektrik.

Mika berbentuk seperti helaian dengan dicampur bersamaan dengan resin (damar) atau pernis yang sesuai. Tergantung dari jenis aplikasinya, mica dapat dicampur dengan jenis resin yang diperlukan agar sesuai dengan syarat pengoperasian temperatur. Mikanit adalah bentuk lain dari mika, yang secara ekstensif digunakan untuk  pengisolasian. Split mika dan bubuk mika digunakan sebagai filter/penyaring pada isolasi material, seperti kaca dan resin fenol. Penggunaan mika yang lainnya adalah memperbaiki kekuatan dielektrik, mengurangi rugi-rugi dielektrik, dan memperbaiki daya tahan terhadap panas dan kekerasan suatu bahan.

4.7.4 Kaca

Kaca adalah suatu bahan termoplastik yang terbuat dari sistem oksida yang kompleks ( SiO₂ ). Konstanta dielektrik kaca diantara 3,7 – 10 dan densitasnya antara 2,2 – 6 g/cm³. Pada suhu kamar, volume resistivitas kaca antara 10¹² – 10²⁰ ohm-cm. Rugi-rugi dielektrik kaca berkisar antara 0,004  - 0,020 tergantung dari frekuensinya. Rugi-rugi akan sangat tinggi pada frekuensi paling rendah. Kekuatan dielektrik kaca antara 3000 – 5000 kV/cm dan berkurang seiring meningkatnya temperatur, mencapai setengahnya pada 100⁰ C. Kaca diganakan sebagai pelindung pada lampu elektrik, katup elektrik, switch pada busur raksa, perlengkapan sinar-x, kapasitor dan islolator pada telepon.

4.7.5 Keramik

Keramik adalah material inorganik yang dibuat dengan menggabungkan mineral-mineral ke bentuk monolitik dengan memberikan temperatur yang panas. Keramik dapat dibagi dalam dua kelompok, tergantung konstanta dielektriknya. Keramik dengan permitivitas rendah  digunakan sebagai isolator, sedangkan keramik dengan permitivitas tinggi  digunakan pada kapasitor dan transduser.

Tabel 4.6 Properties of Low permitivity Ceramics

Property	H.T porcelain	L.T porcelain	Low loss steatite	Alumina	Forsterite
Chemical composition	50%Clay, 25% Feldspar, 25%Flint	50%Clay, 25% Feldspar, 25%Flint	3 MgO, 4 SiO2, H2O	95 %	2 MgO, SiO
Water Absorption (p.p.m)	0	0,5 - 2	0	0	0
Safe temperature (oC)	1000	900	1050	1600	1050
Kekuatan dielektrik	25	3	8-25	16	8 – 12
	5 - 7	5 - 7	6	9	6
	50 - 100	100 – 200	10	5	3 - 4

Tabel 4.7 Property of High Permitivity Ceramics

Ceramics	Struktur Kimia
Magnesium metatitnate	MgTiO3	16	2
Strantium zirconate	SrZrO­3	38	3
Titanium oxide	TiO2	90	5
Calcium titanate	CaTiO3	150	3
Strantium titanate	SrTiO3	200	5
Barium titanate	BaTiO3	1500	150

4.7.6 Karet.

Karet merupakan polimer buatan yang mempunyai keelastisitasan tinggi. Kekuatan electric suatu karet bergantung kepada derajatkan dungan dan vulcanizing nya. Pengotoran, perubahan kimia akibat waktu,    kelembabandanvariasi temperature serta frekuensi menjadi penyebab kekuatan electric karet. Bebrapa hal yang menyangkut kekuatan dan pemakaian dari beberapa jenis karet yang berbeda dapatdilihatpada table 4.8

4.7.7 Plastik

Plastik sudah sangat luas digunakan sebagai material insulator karena sifat dielektriknya yang sangat bagus. Beberapa perkembangan baru dari dunia teknik listrik dan elektronik tidak akanterjadi tanpaperkembangan plastic. Plastic terbuatdaricampuranbahanmurnidanpengotor.

Polietilen

Polietilen merupakan material trmoplastivc yang mempunyai kekuatan elektrik yang tidak biasa, hambatan tinggi, dan murah.Mempunyai resistivitas yang tinggidan sifatdielektrik yang baik padafrekuensi tinggi, sehingga digunakan dalam pembuatan kabel koaksial, cabel telepon, kabel multi-conductor control, kawat tvdan lain sebagainya. Sifat dielektrik dari bahan polyethylene dapat dilihat pada table 4.9

Dengan memvariasikan metoda manufaktur dalam pembuatan polyethylene maka dihasilkan sifat yang lebih spesifik yang digunakan untuk aplikasi khusus. Diantaranya dengan tingkat density yang rendah, medium, tinggi, bahkan sampai tipe yang takteradiasi.

Fluorocarbon plastic

Polythetaflouroethylen adalah isolator yang paling stabil temperature dan sifat kimianya. Ini merupakan plastic paling baik untuk bahan isolasi karena sifat dielektrik dan mekaniknya yang bagus. Ini dapat digunakan tanpa proses dekomposisi hingga mencapai suhu 327⁰C. dan dapat digunakan untuk mengisolasi berbagai aplikasi.

Nylon

Nilon merupakan suatu thermoplastic yang mempunyai pengaruh, daya renggang, dan kekuatan flexural yang tinggi hingggamencapai temperature tinngi (0-300⁰C) .juga mempunyai kekuatan dieletrik dan permukaan yang bagus serta volume resistivitas bagus bahkan setelah direntang hingga kelembaban yang tinggi. Dapat dengan mudah dileburkan. Secara umum disarankan untuk penggunaan pada frekuensi tinggi dengan rugirugi kecil. Dalam elektro nilon di moul ding untuk membentuk coil, konektor, washer, cable clamps, danrumah switch

4.7.8 damar (resin)

Resin merupakan tipe thermosetting dari suatu material isolasi. Mempunyai sifat dielectric dan mekanik yang bagus. Dapat digunakan dalam suhu ruangan. Resin sangat bagus dalam berbagai hal, dan sifat dasarnya dapa tdimodifikasi dalam  bentuk lain. Mempunyai elastisitas yang tinggi, hasil test pada tekanan  tinggi, mencapai 180,00 psi (12,000 atm) dan kembali  ke bentuk asal dengan cepat, tanpa efek permanent. Mempnyai konstanta dielektrik 2,5dan 3,8. Rugirugi daya sangat kecil 0,003-0,03. Kekuatan dielektrik 75kV/mm, resistivitas volume mencpai 10¹³ohm-cm.