2

KERUSAKAN DAN KONDUKSI ISOLASI GAS2.1 GAS SEBAGAI MEDIA ISOLASI Dielektrik yang paling sederhana dan mudah ditemukan yaitu gas. Karena sebagian besar media isolasi menggunakan udara, dan media gas-gas lainnya seperti nitrogen (N2), karbon dioksida (CO2), Freon (CCl2F2) dan sulfur heksafluorida (SF6).Apabila sumber tegangan sudah bekerja, maka keadaan pada isolasi akan terdapat dielektrik gas. Ketika tegangannya rendah, arus akan mengalir antara elektroda dan pada isolasi kecil dan mempertahankan sifat kelistrikan listrik. Di sisi lain, jika tegangannya besar, arus yang mengalir melalui isolasi meningkat sangat tajam, dan kerusakan listrik terjadi. Percikan api yang kuat akan timbul pada elektroda pada saat tegangannya naik. Tegangan maksimum pada isolasi yang menimbulkan kerusakan disebut dengan tegangan tembus (breakdown voltage). Untuk memahami fenomena kerusakan dalam isolasi, terlebih dahulu harus mengerti tentang pemahaman sifat listrik dari gas dan yang terpenting yaitu proses keadaan arus yang tinggi pada isolasi gas.Proses pelepasan listrik pada gas terdiri dari dua jenis, yaitu (i) tanpa pemeliharaan, dan (ii) pemeliharan sendiri. Kegagalan dalam media isolasi gas, yang disebut kerusakan percikan adalah transisi dari tanpa pemeliharn menjadi pemeliharaan sendiri. Penumpukan arus tembus tinggi adalah karena proses ionisasi di mana elektron dan ion yang dibuat dari atom atau molekul netral, dan migrasi anoda dan katoda, masing-masing menyebabkan arus yang cukup tinggi. Dari proses tersebut terdapat dua jenis teori, yaitu. (i) teori townsend, dan (ii) teori streamer yang dikenal untuk menjelaskan mekanisme kerusakan di bawah kondisi yang berbeda. Berbagai kondisi fisik gas, yaitu, suhu tekanan, konfigurasi luas elektroda, sifat permukaan elektroda, dan ketersediaan partikel kondisi awal untuk mengatur proses ionisasi.2.2 PROSES TERJADINYA TABRAKAN2.1.1 jenis tabrakan Aliran listrik biasanya terjadi dari sekumpulan gas dengan proses tabrakan. Proses ini, terutama pada gas yang terjadi karena tabrakan antara partikel bermuatan dan atom atau molekul gas. Terdapat juga jenis tabrakan, yaitu. Tabrakan elastis: tabrakan elastis adalah tabrakan yang terjadi ketika, pengambilan bebas partikel gas dan menyalurkan partikel-partikel yang telah diambil. Tabrakan ini tidak terjadi dalam praktek. Ketika elektron bertabrakan dengan molekul gas, sebuah elektron tunggal mengikuti jalur zig-zag selama perjalanan nya. Namun di antara dalam tabrakan itu dipercepat oleh medan listrik. Karena elektron sangat ringan, mereka mentransfer hanya bagian dari energi kinetik mereka ke banyak ion berat atau molekul gas yang bertabrakan. Hal ini mengakibatkan kerugian energi yang sangat sedikit oleh elektron dan karena itu elektron mendapatkan energi yang sangat tinggi dan perjalanan pada kecepatan yang jauh lebih tinggi daripada ion. Oleh karena itu dalam muatan listrik elektron berperan yang sangat penting.Tabrakan inelastis: tabrakan inelastis, di mana perubahan internal dalam energi berlangsung dalam sebuah atom atau molekul dengan mengorbankan seleruh energi kinetik dari tabrakan partikel. Tabrakan yang sering mengakibatkan tabrakan inelastis yaitu proses ionisasi, lampiran, eksitasi, dan rekombinasi. 2.2.2 mobilitas ion dan elektron Ketika sebuah ion bergerak melalui gas di bawah pengaruh medan listrik statis, energi yang dihasilkan dari proses tabrakan cukup tinggi dan juga akan kehilangan energi selama tabrakan. Gaya listrik pada elektron / ion muatan e adalah eE, dengan menghasilkan akselerasi eE / m. ketika energi yang diperoleh ion dari medan listrik dengan energi panas sangat kecil, maka Wi merupakan kecepatan dalam bidang arah, dan sebanding dengan intensitas medan listrik (E) dan dapat dinyatakan sebagai berikut: Wi = iE (2.1)Dimana i disebut mobilitas ion. Mobilitas terutama karakteristik dari gas yang bergerak pada ion. Pada suhu normal dan mobilitas () adalah pf dengan satuan cm2/volt-sec. Namun, konsep mobilitas ion tidak dapat langsung diterapkan pada elektron karena massanya sangat rendah. Apabila medan listrik diterapkan secara eksternal, maka akan menyebabkan elektron mendapatkan energi yang jauh lebih tinggi dari rata-rata energi panas. Karena energi elektron jauh lebih tinggi dari pada rata-rata energi panas. Kecepatan elektron difungsikan sebagai kecepatan rata-rata, dengan adanya elektron yang bergerak menuju pusat, energy tersebut bukan merupakan fungsi sederhana E / p, tetapi energinya ditentukan dari distribusi fungsi. dari teori energi kinetik kecepatan electron We memberikan persamaan yang sangat kecil yaitu sebagai berikut:We = Ee/3ma2 d/dc (Ic2) (2.2)di mana I adalah persamaan derajat dari elektron dengan kecepatan c.2.2.3. Koefisien difusi ketika partikel berenergi, yang menunjukkan sebagai gerakan tidak teratur atau tidak merata di seluruh ruang, maka mereka cenderung mendistribusikan sendiri di seluruh ruang. Proses ini dikenal sebagai difusi dan tingkat di mana kejadian ini diatur oleh difusi satuan luas dalam satuan waktu tegak lurus dengan gradien konsentrasi pada unit gradien konsentrasi. Dalam persamaan dimensinya, hal ini dapat ditulis sebagai berikut:n/ t =- D2n (2.3)dimana n adalah konsentrasi partikel.Teori energi kinetik memberikan D sebagai persamaan yang sangat kecil yaitu:D = I/3 (Ic) (2.4)di mana I adalah persamaan derajat dan c merupakan kecepatan yang tidak beraturan.dalam muatan listrik, setiap kali ada konsentrasi yang tidak sama akan ada kerugian dari daerah konsentrasi yang tinggi ke daerah konsentrasi yang rendah. Proses ini disebut difusi dan menyebabkan volume de-ionisasi meningkat. timbulnya dinding yang membatasi volume akan meningkatkan efek de-ionisasi karena partikel yang bermuatan akan kehilangan muatannya yang bertabrakan dengan dinding. Kedua difusi dan hasil mobilitas dalam gerakan massal dijelaskan dari melepasnya kecepatan yang disebabkan dari tabrakan tidak seimbang (gradien konsentrasi) atau oleh medan listrik itu sendiri.2.2.4 Distribusi Energi Elektronuntuk pengembangan teori lengkap yang memberikan hubungan antara tabrakan elektron tunggal dengan molekul gas, dan diperoleh secara teliti dari sifat rata-rata pembuangan, pengetahuan tentang fungsi distribusi energi elektron sangat penting. fungsi distribusi yang paling banyak digunakan adalah Maxwell dan fungsi distribusi Druyesteynian yang berlaku khusus untuk kondisi elastis.distribusi Maxwell telah ditemukan untuk menerapkan di mana ada keseimbangan termal antara elektron dan molekul.Distribusi tersebut mengambil bentuk:F() = C1 0.5 exp (-1.5 / ) (2.5)di mana C1 nilai konstan dan adalah energi rata-rata.Untuk Distribusi Druyesteynian berlaku ketika elektron atau energy ion jauh lebih besar daripada energi panas dan karena itu harus terdapat aplikasi dalam mengatasi pembuangan. Distribusi ini mengambil bentuk:F() = C2 0.5 exp (-0.55 2/ -2) (2.6)dimana C2 adalah nilai konstanta yang lain.2.2.5 Proses tabrakan pada area penampangTabrakan penampang didefinisikan sebagai kontak bidang antara dua partikel. Dengan kata lain, luas dari area total. Cara ini berbeda untuk setiap jenis tabrakan. misalnya, proses ionisasi untuk daerah yang luas sedangkan untuk luas eksitasi menjasi berkurang kurang. Secara bersamaan, terjadi proses seperti ionisasi, eksitasi, charge transfer, reaksi kimia, dllpenampang efektif diperoleh dengan penjumlahan semua penampang. jika qt adalah bagian total, dan qi, qe, qc dll, adalah penampang untuk ionisasi, eksitasi, charge transfer, dll, maka:qt = qi + qe + qc + . . .sehingga proses tabrakan pada area penampang masih belum terbukti terbukti menguntungkan. Tabrakan pada area penampang juga masih belum memungkinkan tabrakan pada area penampang akan terjadi di tempatnya, sehingga.P =nq (2.7)yang merupakan kebalikan dari nilai jarak rata-rata.

2.2.6 Nilai jarak rata-rata ()Nilai jarak rata-rata didefinisikan sebagai jarak rata-rata antara tabrakan, ketika akan terjadi beberapa tabrakan besar antara elektron dan molekul gas. Hal ini bergantung pada energi dari electron yang akan bertabrakan, jadi jarak antara dua komponen yang bertabrakan akan bervariasi. Nilai rata-rata ini berarti jarak bebas. Jarak bebas merupakan penjumlahan dan nilai rata-rata yang tergantung pada konsentrasi partikel atau densitas gas.Nilai jarak rata-rata dapat dinyatakan sebagai: = k/p cm (2.8)di mana k adalah nilai konstan dan p adalah tekanan gas dalam mikron.nilai k untuk nitrogen adalah 5. dari persamaan ini terlihat bahwa pada tekanan 1 torr, adalah 5x10 cm. jika tekanan 10 torr, maka = 5x10cm. dari sini terlihat bahwa nilai jarak rata-rata sangat besar pada tekanan yang sangat rendah dan sangat kecil pada tekanan tinggi.2.3 PROSES IONISASISebuah gas dalam keadaan yang normal hamper menjadi insulator yang sempurna. Namun, pada tegangan tinggi, maka kedua elektroda melebur dalam medium gas, gas menjadi konduktor dan gangguan listrik dapat terjadi.proses utama yang bekerja atas kerusakan gas adalah proses penggabungan ionisasi, foto-ionisasi, dan proses ionisasi sekunder.dalam isolasi gas (juga disebut elektron-gas) proses penempelan elektroda juga berperan sangat penting.2.3.1 Proses penggabungan ionisasiProses pembebasan elektron dari molekul gas dengan produksi simultan ion positif disebut ionisasi. Dalam proses penggabungan ionisasi, akan terjadi tabrakan elektron bebas dengan molekul gas netral dan menimbulkan elektron baru dan ion positif. jika kita mempertimbangkan tekanan kolom gas rendah di mana medan listrik dihasilkan dua elektroda paralel pesawat, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.1 kemudian, setiap elektron dimulai pada katoda akan lebih dipercepat dan antara tabrakan dengan molekul gas lain selama peristiwa ini tabrakan melebihi anoda. jika energi () diperoleh dari peristiwa antara tabrakan melebihi potensi, Vi, yang merupakan energi yang dibutuhkan untuk membuang elektron dari kulit atom, maka ionisasi terjadi. proses ini dapat direpresentasikan sebagai:e- + A e- + A+ + e- (2.9)dimana, A adalah atom, A + adalah ion positif dan e-adalah elektron.gambar 2.1 pengaturan proses ionisasi dari teori Townsend.

Terdapat beberapa elektron yang dihasilkan pada katoda dengan cara eksternal, misalnya dengan sinar ultraviolet yang ditujukan langsung pada katoda, mengionisasi partikel gas netral yang menghasilkan ion positif dan elektron tambahan. elektron addional, kemudian, mereka membuat 'tabrakan pengion' dan dengan demikian proses tersebut akan terus berulang. Hal ini merupakan peningkatan arus elektron, karena jumlah elektron mencapai anoda per satuan waktu lebih besar daripada yang dibebaskan katoda. di samping itu, ion positif juga mencapai katoda dan pada katoda menimbulkan elektron sekunder.2.3.2 foto-ionisasiPeristiwa yang terkait dengan proses ionisasi oleh radiasi, atau foto-ionisasi, melibatkan interaksi radiasi dengan materi radiasi. foto-ionisasi terjadi ketika jumlah energi radiasi yang diserap oleh atom atau molekul melebihi potensial ionisasinya.ada beberapa proses yang terjadi pada radiasi yang dapat diserap oleh atom atau molekul. diantaranya yaitu:(a). eksitasi atom pada keadaan energi yang lebih tinggi.(b). penyerapan terus menerus oleh eksitasi langsung dari atom atau disosiasi molekul diatomik atau ionisasi langsung.Seperti halnya atom yang tereksitasi memancarkan radiasi ketika electron kembali pada keadaan yang lebih rendah atau keadaan dasar, proses sebaliknya terjadi ketika atom menyerap radiasi. Proses ini reversibel dapat dinyatakan sebagai berikut:hV + A A* (2.10)

Proses ionisasi terjadi apabila: < c . (2.11)dimana, h adalah nilai konstanta, c adalah kecepatan cahaya, A adalah panjang gelombang dari radiasi insiden dan Vi adalah energi ionisasi atom. Hasil subtitusi untuk h dan c, maka akan mendapatkan: < x 10-6 cmdi mana Vi dalam elektron volt (eV). Semakin tinggi energi ionisasi dan semakin pendek radiasi, maka panjang gelombang radiasi akan menyebabkan ionisasi. Dari pengamatan eksperimen bahwa radiasi memiliki panjang gelombang 1250 A mampu menyebabkan foto-ionisasi pada semua gas.2.3.3 proses ionisasi sekunderproses ionisasi sekunder yaitu eletron sekunder mampu mempertahankan nilainya yang kemudian proses ionisasi terjadi karena penggabungan elektron dan juga foto-ionisasi.Secara singkat dapat dijelaskan seperti di bawah ini:(a) Emisi elektron akibat dari ion positifIon positif terbentuk karena ionisasi akibat penggabungan electron atau foto-ionisasi, yang bermuatan positif, proses itu berpindah menuju ke katoda.Ion positif mendekati katoda logam yang dapat menyebabkan emisi elektron dari katoda dengan memberikan energi kinetik. jika energi total dari ion positif merupakan jumlah energi kinetik dan energi ionisasi, lebih besar dari dua kali fungsi kerja logam, elektron akan dikeluarkan dan elektron kedua akan menetralkan ion. kemungkinan proses ini diukur sebagai i yang disebut koefisien sekunder ionisasi Twonsend, karena ion positif dan didefinisikan sebagai hasil dari elektron per insiden ion positif. Maka i akan meningkat dengan kecepatan ion dan bergantung pada jenis bahan gas dan elektroda yang digunakan.(b) emisi elektron akibat dari photon.Hal ini menyebabkan elektron terlepas dari logam. Maka harus diberikan energi yang cukup untuk mengatasi hambatan potensial pada permukaan. energi juga dapat diberikan dalam bentuk foton cahaya ultraviolet frekuensi yang sesuai. emisi elektron dari permukaan logam terjadi pada kondisi kritis (lihat Persamaan. 2.11)h . v > di mana adalah fungsi kerjav = (2.12)hal ini dikenal sebagai frekuensi ambang. Untuk permukaan nikel dengan = 4,5 eV, frekuensi ambang batas akan sesuai dengan panjang gelombang = 2755 A. jika peristiwa radiasi memiliki frekuensi yang lebih besar dari frekuensi ambang, maka kelebihan energi berjalan sebagai energi kinetik elektron yang dipancarkan dan sebagian untuk memanaskan permukaan elektroda. karena sebuah elektron bertegangan rendah, maka frekuensi ambang terletak pada sinar ultraviolet yang lebih jauh dari spektrum radiasi elektromagnetik.(c) emisi elektron karena ksatbilan atom dan netralKsatabilan atom atau molekul merupakan partikel yang sangat besar (103 s) dibandingkan dengan partikel biasa (10-8 s). elektron dapat dikeluarkan dari permukaan logam dengan cara penstabilan atom, asalkan energy total elektron cukup untuk mengatasi fungsi kerja. Proses ini paling mudah diamati dengan ksatabilan atom, karena keadaan tereksitasi lainnya terlalu pendek untuk mencapai katoda dan menyebabkan emisi elektron, kecuali elektron sangat dekat dengan permukaan katoda. Oleh karena itu, hasil ini juga bisa 100%, Untuk interaksi atom dengan permukaan netral, nikel atau magnesium. atom netral dalam keadaan dasar juga menimbulkan emisi elektron sekunder jika energi kinetik mereka tinggi (= 1000 eV). pada energi yang rendah hasilnya lebih sedikit.2.3.4 Proses penggabungan elektronjenis penggabungan di mana elektron dapat menjadi satu kesatuan pada atom atau molekul untuk membentuk ion negatif disebut penggabungan elektron. Proses penggabungana elektron tergantung pada energi elektron dan sifat gas dan merupakan proses yang sangat penting dari sudut pandang teknik. semua gas isolasi elektrik, seperti CCl2F2, dan SF6. Proses penggabungan elektron dapat direpresentasikan sebagai berikut:atom + e + k ion atom negatif + (Ea + k) (2.13)Energi yang dibebaskan sebagai hasil dari proses ini adalah K energi kinetik ditambah afinitas elektron Ea. dalam isolasi gas, atom atau molekul memiliki tempat pada kulit terluarnya dan, karenanya, memiliki afinitas untuk elektron. Proses penggabungan elektron menjadikan gangguan busur yang terjadi pada switchgear isolasi gas. pengaruh keterikatan pada gangguan dalam gas dibahas dalam Sec. 2,8 dari bab ini.2.4 PERSAMAAN ARUS DARI TEORI TOWNSENDMengacu pada Gambar 2.1 mari kita asumsikan bahwa n0 adalah elektron yang dihasilkan katoda. ketika salah satu elektron bertabrakan dengan partikel netral, ion positif dan electron akan terbentuk. Hal ini disebut penggabungan ion. misalkan adalah nilai rata-rata penggabungan ion yang dibuat oleh elektron per sentimeter ( tergantung pada p tekanan gas dan E / p, dan disebut koefisien ionisasi pertama townsend). Dan pada jarak x dari katoda, total jumlah elektron menjadi nx. saat elektron nx menjauh dari dx akan menimbulkan ( nxdx) elektron.dimana: x = 0, nx = n0 (2.14)dan juga, nx ; or nx = n0 exp(x)(2.15)kemudian, jumlah elektron mencapai node (x = d) sehingga menjadi:nd = n0 exp(, d)(2.16)jumlah electron total, akan dirata-rata oleh masing-masing elektron:contoh (d) 1 = (2.17)Oleh karena itu, nilai rata-rata yang sama dengan jumlah elektron meninggalkan keadaan per detik maka:I = I0 exp(d) (2.18)dimana I0 adalah arus awal pada katoda.

2.5 ARUS YANG BERADA PADA KEADAAN SEKUNDERProses pelepasan tunggal dijelaskan di bagian sebelumnya ketika elektron mencapai anoda. Namun, karena amplifikasi elektron [exp (ad)] terjadi, kemungkinan elektron baru terbebas dengan mekanisme lain meningkat, dan elektron baru ini menciptakan jatuhnya elektron. Mekanisme lainnya adalah:(i) lepasnya ion positif dan memiliki energi yang cukup sehingga menyebabkan pelepasan elektron dari katoda ketika ion positifmelebihi jumlahnya.(ii) atom-atom atau molekul tereksitasi dalam pelepasan yang dapat menghasilkan photon, dan hal ini akan menyebabkan emisi elektron karena foto-emisi.(iii) kestabilan partikel yang disebabkan emisi elektron.Elektron yang dihasilkan oleh proses ini disebut elektron sekunder. Koefisien sekunder ionisasi didefinisikan dalam cara yang sama seperti , karena jumlah elektron sekunder yang dihasilkan per insiden yaitu ion positif, photon, partikel, atau kestabilan partikel , dan total nilai adalah jumlah dari koefisien individu karena ke tiga proses yang berbeda, yaitu =. 1+ 2+ 3+ 4. disebut koefisien ionisasi sekunder Townsend dan merupakan fungsi dari tekanan gas p dan E / p.Dari teori arus townsend, dapat diasumsikan sebagai berikut :n0 = jumlah elektron sekunder yang dihasilkan akibat proses () sekunder.Sedangkan n0 = jumlah electron yang meninggalkan katoda.Kemudian n0'' = n0 + n0' (2.19)jumlah elektron n mencapai anoda sehingga menjadi,n = n0'' exp (d) = (n0 + n0') exp (d);dann0' = [n-(n0 + n0')]menghilangkan n'0,n = atau I = (2.20)

2.6 KRITERIA GANGGUAN TOWNSENDPersamaan (2.20) memberikan arus total sebelum terjadinya kerusakan. jarak antara elektroda d meningkat, penyebut dari persamaan cenderung nol, dan pada jarak kritis d = ds.1-y[exp (d) 1] = 0 (2.21)untuk nilai d A Persamaan (2.18) mendekati bentuk meningkatnya nilai d, maka: = 1 ; atau =

Gambar 2.7 nilai /p dan /p sebagai fungsi dari E/p di SF6 pada suhu 20'C.Biasanya, lebih kecil (