Mekanisme Kegagalan Bahan Isolasi Padat

Mekanisme Kegagalan Bahan Isolasi Padat

I. Pendahuluan

Mekanisme kegagalan bahan isolasi padat terdiri dari beberapa jenis sesuai fungsi waktu penerapan tegangannya. Hal ini dapat dilihat sebagai berikut :

            Dari gambar di atas, dapat dilihat bahwa makin tinggi tegangan kegagalannya maka makin singkat waktu terjadinya kegagalan tersebut. Hal ini sesuai dengan asas pokok yang berlaku dalam bidang tegangan tinggi. Seperti diketahui setiap zat padat terdiri dari molekul-molekul. Setiap molekul terdiri dari atom-atom yang juga terdiri dari elektron-elektron. Jika pada zat padat tersebut diterapkan suatu medan listrik E, maka zat padat tersebut akan mengalami tekanan listrik (electric stress).

            Tekanan listrik ialah gaya yang bekerja pada suatu elektron yang mempunyai besaran 1 coulomb. Karena:

F = e . E

Dimana:

            F          : Gaya yang bekerja pada electron

            e          : Muatan electron

            E          : Kuat medan listrik

Maka   F = E, Jika e = 1

            Dari persamaan di atas dapat dikatakan bahwa tekanan yang bekerja pada suatu zat padat adalah sama dengan kuat medan listrik yang diterapkan pada zat padat tersebut.

            Karena adanya gaya yang bekerja pada elektron, maka akan timbul suatu kerja. Jika akibat gaya tersebut electron akan bergerak sejauh dx, maka besarnya usaha untuk 1 satuan muatan adalah:

W =

          Dari persamaan di atas dapat dinyatakan bahwa untuk memindahkan satu satuan muatan sejauh dx diperlukan usaha sebesar W. Dari ketentuan tentang beda potensial antara 2 titik A dan B, maka dapat dikatakan bahwa besarnya usaha yang diperlukan untuk memindahkan elektron dari A ke B adalah:

= - V_AB

Sehingga besarnya kuat medan atau tekanan listrik adalah:

            Di samping tekanan didefinisikan juga kekuatan listrik atau kuat listrik (electric strength), yaitu tekanan listrik maksimum yang dapat ditahan oleh suatu bahan isolasi. Definisi ini bersifat kualitatif. Jika kekuatan listrik (strength) lebih kecil dari tekanan listrik (stress), maka akan terjadi kegagalan dalam zat padat tersebut. Definisi kuat listrik secara kuantitatif rumit, karena kuat listrik ini dipengaruhi oleh antara lain: tekanan (atm), suhu, jenis bahan elektroda, konfigurasi medan listrik, bentuk tegangan yang diterapkan, umur bahan (yang diharapkan), ketidakmurnian dalam bahan dan adanya kantong-kantong udara dalam zat padat. Kegagalan zat padat terbagi menjadi beberapa bagian berdasarkan waktu penerapan tegangannya, diantaranya sebagai berikut.

II. Mekanisme Kegagalan Bahan Isolasi Padat

A. Kegagalan Asasi (Intrinsik)

Kegagalan asasi (intrinsik) adalah kegagalan yang disebabkan oleh jenis dan suhu bahan dengan menghilangkan pengaruh luar seperti tekanan, bahan elektroda, ketidakmurnian, kantong-kantong udara. Kegagalan ini terjadi jika tegangan yang dikenakan pada bahan dinaikkan sehingga tekanan listriknya mencapai nilai tertentu yaitu 10⁶ volt/cm dalam waktu yang sangat singkat yaitu 10^-8 detik. Karena waktu gagal yang sangat singkat, maka jenis kegagalan ini disebut kegagalan elektronik. Kegagalan intrinsik merupakan bentuk kegagalan yang paling sederhana.

Melalui eksperimen, kuat dielektrik terbesar diperoleh ketika seluruh pengaruh luar sudah diisolasi dan harganya hanya bergantung pada struktur material dan suhu. Kekuatan listrik maksimum adalah 15 MV/cm untuk polyvinyl-alcohol pada suhu -196^oC. Kekuatan maksimum biasanya berkisar antara 5 MV/cm dan 10 MV/cm.

Kegagalan instrinsik tergantung pada kehadiran elektron bebas yang mampu berpindah melalui kisi-kisi dari bahan dielektrik tersebut. Biasanya, sejumlah kecil dari elektron terkonduksi hadir dalam dielektrik padat, bersama beberapa struktur tak sempurna dan sejumlah atom kotor (impurity atom). Atom atau molekul kotor atau keduanya bertindak sebagai perangkap untuk elektron terkonduksi yang tergantung pada jarak dari medan elektrik dan suhu. Ketika jarak ini telah membesar, elektron tambahan terbebaskan, dan elektron ini turut berpartisipasi pada proses konduksi. Berdasarkan prinsip ini, 2 tipe dari kegagalan instrinsik telah muncul yaitu Kegagalan Elektronik dan Kegagalan Streamer.

Beberapa pendekatan telah dilakukan untuk meramalkan nilai kritis medan yang menyebabkan terjadinya kegagalan asasi, tetapi hingga kini belum diperoleh penyelesaian yang memuaskan.

B. Kegagalan Elektromekanik

Kegagalan elektromekanik adalah kegagalan yang disebabkan oleh adanya perbedaan polaritas antara elektroda yang mengapit zat isolasi padat sehingga timbul tekanan listrik pada bahan tersebut. Tekanan listrik yang terjadi menimbulkan tekanan (pressure) mekanik yang terjadi akibat timbulnya gaya tarik menarik antara kedua elektroda tersebut. Pada tegangan 10⁶ volt/cm menimbulkan tekanan mekanik 2-6 kg/cm².

Tekanan atau tarikan mekanis ini berupa gaya yang bekerja pada zat padat berhubungan dengan Modulus Young:

 

Dengan rumus Stark dan Garton:

 

Jika kekuatan asasi (intrinsik) tidak tercapai pada  maka zat isolasi akan gagal bila tegangan V dinaikkan lagi. Jadi kekuatan listrik maksimumnya adalah:

Dimana :

F          :Gaya yang bekerja pada zat padat

D L      : Pertambahan panjang zat padat

L          : Panjang zat padat

A         : Pertambahan zat yang dikenai gaya

d₀           : Tebal zat padat sebelum dikenai tegangan V

d          : Tebal setelah dikenai tegangan V

    : Permitivitas

III. Kesimpulan

1.      Kegagalan bahan isolasi padat terjadi karena kekuatan listrik (strength), lebih kecil dari tekanan listrik (stress).

2.      Kegagalan Asasi (Intrinsik) dan Kegagalan Elektromekanik merupakan pembagian dari Kegagalan bahan isolasi padat berdasarkan waktu penerapan tegangannya. Kegagalan yang lain yaitu, Kegagalan Streamer, Kegagalan Termal, dan Kegagalan Erosi.

3.      Kegagalan Asasi (Intrinsik) adalah kegagalan yang disebabkan oleh jenis dan suhu bahan dengan menghilangkan pengaruh luar seperti tekanan, bahan elektroda, ketidakmurnian, dan kantong-kantong udara. Kegagalan ini terjadi jika tegangan yang dikenakan pada bahan, dinaikkan sehingga tekanan listriknya mencapai nilai tertentu dalam waktu yang singkat.

4.      Kegagalan Elektromekanik adalah kegagalan yang disebabkan oleh adanya perbedaan polaritas antara elektroda yang mengapit zat isolasi padat sehingga timbul tekanan listrik pada bahan tersebut.

IV. Daftar Pustaka

Kind, Dieter. 1993. Pengantar Teknik Eksperimental Tegangan Tinggi. ITB: Bandung

http://www.elektroindonesia.com/elektro/ener13a.html