DIELEKTRIK PADAT

2.1 Umum

Dalam teknik tegangan tinggi, fungsi yang paling utama dari suatu bahan isolasi adalah untuk mengisolasi konduktor yang membawa tegangan terhadap yang lainnya sama baiknya terhadap tanah. Dan sebagai tambahannya, harus sering melakukan fungsi mekanis dan harus mampu menahan penekanan termal dan kimia. Serta juga memiliki daya tahan yang lama atau usia daya tahannya di bawah jenis-jenis penekanan yang bervariasi yang dihadapi dalam praktek sebagai pertimbangan penentuan aplikasi ekonomis.

Bahan dielektrik padat digunakan pada hampir seluruh rangkaian listrik dan peralatan listrik untuk mengisolir bagian-bagian pembawa arus dari bagian lainnya. Bahan dielektrik padat yang baik harus mempunyai rugi-rugi dielektrikum yang rendah, kekuatan mekanis yang tinggi, bebas dari kemungkinan pembentukan gas dan debu, dan tahan terhadap perubahan temperatur dan pengaruh kimia.

Isolasi padat mempunyai kekuatan tegangan tembus yang tinggi dibandingkan dengan isolasi cair dan gas. Studi yang paling penting dalam teknik isolasi adalah studi tegangan tembus dari dielektrikum padat. Jika terjadi tembus, maka isolasi padat akan rusak secara permanen sedangkan pada isolasi gas akan kembali ke sifatnya semula dan pada isolasi cair sebagian akan kembali ke sifatnya semula dan sebagian lainnya tidak.

2.2 Kekuatan Dielektrik

Salah satu tujuan dari pengujian tegangan tinggi adalah untuk meneliti sifat-sifat elektris dielektrik bahan yang telah dipakai sebagai bahan isolasi peralatan listrik maupun yang masih dalam tahap penelitian. Adapun sifat-sifat elektrik bahan dielektrik adalah :

1. Kekuatan Dielektrik

2. Konduktansi

3. Rugi-rugi Dielektrik

4. Tahanan Isolasi, dan

5. Peluahan Parsial

Dalam tulisan ini sifat elektrik yang akan dibahas adalah sifat kekuatan dielektrik bahan isolasi. Suatu bahan dielektrik tidak mempunyai elektron bebas, tetapi mempunyai elektron-elektron yang terikat pada inti atom unsur yang membentuk dielektrik tersebut. Pada Gambar 2.1 diperlihatkan suatu bahan dielektrik yang ditempatkan di antara dua elektroda piring sejajar. Bila elektroda diberi tegangan searah, maka timbul medan elektrik (E) di dalam dielektrik. Medan elektrik ini memberi gaya kepada elektron-elektron agar terlepas dari ikatannya dan menjadi elektron bebas. Dengan kata lain, medan elektrik merupakan suatu beban bagi dielektrik yang menekan dielektrik agar berubah menjadi konduktor.

Beban yang dipikul dielektrik ini disebut juga terpaan medan elektrik (Volt/cm). Setiap dielektrik mempunyai batas kekuatan untuk memikul terpaan elektrik.

Gambar 2.1 Terpaan Elektrik Dalam Dielektrik

Jika terpaan elektrik yang dipikulnya melebihi batas yang diizinkan dan berlangsung cukup lama, maka dielektrik akan menghantarkan arus atau gagal melaksanakan fungsinya sebagai isolator. Dalam hal ini dielektrik dikatakan tembus listrik atau "breakdown". Terpaan elektrik tertinggi yang dapat dipikul suatu dielektrik tanpa menimbulkan dielektrik tembus listrik disebut kekuatan dielektrik.

Tidak selamanya terpaan elektrik dapat menimbulkan tembus listrik, tetapi ada dua syarat yang harus dipenuhi, yaitu :

1. Terpaan elektrik yang dipikul dielektrik harus lebih besar atau sama dengan kekuatan dielektriknya.

2. Lama terpaan elektrik berlangsung lebih besar atau sama dengan waktu tunda tembus dari dielektrik.

Yang dimaksud dengan waktu tunda tembus (time lag) adalah waktu yang dibutuhkan sejak mulai terjadinya ionisasi sampai terjadinya tembus listrik. Untuk tegangan sinusoidal frekuensi daya dan untuk tegangan searah syarat kedua di atas tidak berlaku, karena waktu puncak tegangan berlangsung dalam orde mili detik sedangkan waktu tunda tembus listrik ordenya dalam mikro detik. Tetapi untuk tegangan impuls yang durasinya dalam orde mikro detik kedua syarat tersebut harus dipenuhi. Untuk tegangan impuls sekalipun tegangan yang diberikan telah menimbulkan terpaan elektrik yang lebih besar dari kekuatan dielektrik, masih ada kemungkinan dielektrik tidak tembus. Kemungkinan ini terjadi jika terpaan elektrik yang melebihi kekuatan dielektrik itu berlangsung lebih singkat dari waktu tunda tembus listrik.

Lamanya waktu tunda tembus listrik tidak merata, oleh karena itu ditentukan dengan statistik, sehingga terpaan elektrik yang menimbulkan tembus listrik dinyatakan dalam suatu harga statistik, yaitu harga yang memberikan probabilitas tembus 50 %. Tegangan yang menyebabkan dielektrik tembus listrik disebut tegangan tembus atau breakdown voltage.

2.3 Dielektrik Padat dan Proses Kegagalannya

Atom-atom yang menyusun zat padat terikat kuat satu sama lain. Keistimewaan yang paling menyolok dari kebanyakan zat padat adalah atom-atomnya (atau grup-grup atom) yang tersusun oleh sebuah derajat tinggi dari urutan pola yang berulang-ulang yang teratur dalam tiga dimensi yang disebut kristalin. Zat padat yang atom-atomnya disusun dalam sebuah model yang tidak beraturan disebut non-kristalin atau tak berbentuk. Oleh karena sebagian besar dari sistem pengisolasian komersial adalah zat padat, studi kegagalan dielektrik padat menjadi sangat penting pada studi isolasi.

Penerapan medan elektrik yang tinggi pada material dielektrik padat dapat menyebabkan gerakan pembawa muatan bebas, injeksi muatan dari elektroda-elektroda, penggandaan muatan, formasi ruang muatan dan disipasi energi dalam material. Oleh karena kondisi-kondisi tersebut, yang dapat terjadi secara tunggal atau kombinasi, maka akhirnya mengacu pada material mengalami kegagalan elektris yang disebut juga breakdown.

Pada prinsipnya dan dalam kondisi percobaan tertentu, mekanisme kegagalan dalam zat padat sama dengan proses yang terjadi pada gas dan udara. Perbedaannya, kegagalan dalam zat padat sedikit lebih rumit, karena ada mekanisme kegagalan yang tidak dijumpai pada kegagalan gas. Nilai suatu zat padat tergantung dari cara dan kondisi pengukuran.

Mekanisme kegagalan pada zat padat merupakan mekanisme yang rumit dan tergantung pada lama diterapkannya tegangan pada material dielektrik tersebut seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2. Mekanisme tersebut adalah sebagai berikut :

1. kegagalan asasi (intrinsik)

2. kegagalan elektromekanik

3. kegagalan streamer

4. kegagalan termal

5. kegagalan erosi

Gambar 2.2 Variasi tegangan tembus dan mekanisme kegagalan dengan waktu penerapan tegangan

2.3.1 Kegagalan Asasi (Intrinsik)

Kegagalan asasi atau kegagalan intrinsik adalah kegagalan yang berasal dari atau disebabkan oleh jenis dan suhu bahan, dengan mengabaikan pengaruh faktor-faktor luar seperti tekanan, bahan elektroda, ketidakmurnian, kantong-kantong udara. Kegagalan ini terjadi jika tegangan yang diterapkan pada bahan dinaikkan sehingga tekanan listriknya mencapai nilai tertentu, yaitu 10⁶ Volt/cm dalam waktu yang sangat singkat (10^-8 detik). Kegagalan intrinsik ini merupakan bentuk kegagalan yang paling sederhana.

2.3.2 Kegagalan Elektromekanik

Kegagalan elektromekanik terjadi disebabkan oleh adanya perbedaan polaritas antara elektroda yang mengapit isolasi padat. Jika pada isolasi padat tersebut diberikan tegangan dengan polaritas yang berbeda, maka akan timbul tekanan (stress) listrik pada bahan tersebut yang dilanjutkan dengan timbulnya tekanan (pressure) mekanis. Tekanan mekanis ini terjadi akibat gaya tarik menarik F antar kedua elektroda tersebut seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3 untuk tekanan listrik sebesar 10⁶ Volt/cm dan akan dihasilkan tekanan mekanis sebesar 2-6 kg/cm².

Gambar 2.3

2.3.3 Kegagalan Streamer

Jika diterapkan tegangan V pada zat padat yang terapit oleh elektroda bola-bidang, maka pada medium yang berdekatan, misalnya gas atau udara, akan timbul tegangan. Gas yang mempunyai permitivitas yang lebih rendah dari zat padat akan mengalami tekanan listrik yang besar. Akibatnya, gas atau udara tersebut akan mencapai kekuatan asasinya. Karena kegagalan tersebut maka akan jatuh sebuah muatan pada permukaan zat padat, sehingga medan yang tadinya seragam akan terganggu. Konsentrasi muatan pada ujung pelepasan ini dalam keadaan tertentu mengakibatkan timbulnya medan lokal yang cukup tinggi (sekitar 10 MV/cm). Karena medan ini lebih besar dari kekuatan intrinsik, maka akan terjadi kegagalan pada zat padat tersebut. Proses kegagalan pada zat padat ini terjadi sedikit demi sedikit sehingga akhirnya zat padat gagal seluruhnya.

2.3.4 Kegagalan Termal

Bila suatu medan diterapkan dalam suatu zat padat pada suhu normal, maka arus konduksi akan terjadi dalam bahan pada umumnya kecil. Dalam hal ini tidak akan terjadi apa dalam zat padat, walaupun E sudah cukup besar. Panas yang dibangkitkan oleh arus sebagian akan disalurkan keluar dan sebagian akan digunakan untuk menaikkan suhu badan. Tetapi, jika kecepatan pembangkitan panas di suatu titik dalam bahan melebihi laju pembuangan panas keluar, maka akan terjadi keadaan yang tidak stabil dan pada suatu saat bahan akan mengalami kegagalan. Kegagalan ini disebut kegagalan termal.

2.3.5 Kegagalan Erosi

Terjadinya kegagalan erosi disebabkan oleh keadaan zat isolasi padat yang tidak sempurna. Ketidaksempurnaan tersebut misalnya berupa lubang-lubang atau rongga-rongga dalam bahan isolasi tersebut (Gambar 2.4), sehingga akan terisi oleh gas atau cairan yang kekuatan gagalnya lebih rendah daripada di dalam zat padat. Di samping itu, konstanta dielektrik di dalam rongga sering lebih rendah daripada dalam zat padat sehingga intensitas medan dalam rongga lebih besar daripada intensitas dalam zat padat. Oleh karena itu, mungkin saja akan terjadi tegangan kegagalan di dalam rongga tersebut, meskipun pada waktu itu diterapkan tegangan kerja normal pada zat padat.

Gambar 2.4

Pada waktu gas dalam rongga gagal, permukaan zat isolasi padat merupakan katoda anoda. Benturan-benturan elektron pada anoda akan mengakibatkan terlepasnya ikatan kimiawi zat padat. Demikian pula, pemboman katoda oleh ion-ion positif akan mengakibatkan rusaknya zat isolasi padat karena kenaikan suhu, yang kemudian mengakibatkan ketakstabilan termal. Keadaan ini menyebabkan dinding zat padat lama kelamaan rusak, rongga menjadi makin besar dan zat padat bertambah tipis. Proses ini disebut erosi dan kegagalan yang diakibatkannya disebut kegagalan erosi.