Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas PDF

Preview

Summary

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas I Made Yulistya N () Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas 1 / 23 Karakteristik Arus-Tegangan Stationer non-self sustained discharge self sustained discharge UG 1000 UG IG U H arge UD = Spark D E disch Light action glow Townsend Gasamplification rmal C abno 500 Ligh...

Description

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas

I Made Yulistya N ()

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas

1 / 23

UG 1000

self sustained discharge

non-self sustained discharge

Karakteristik Arus-Tegangan Stationer

IG

UG

U

100 A

abno rmal

Light action Dark discharge

C

500

E

F

G

normally Glow discharge (corona stabilization)

I

B 10-12

Light arc

Townsend Gasamplification

D

glow disch arge

H UD = Spark

10-4 10-2 100

IG

2 daerah besar Non-self sustained discharge Arus mengalir selama pembaea muatan terbentuk dalam ruang gas karena pengaruh luar (mekanisme ionisasi) Self sustained discharge Setelah penyalaan arus mengalir meskipun tanpa pengaruh luar. Proses ini bergantung pada jenis gas, tekanan gas, bentuk dan bahan elektrode I Made Yulistya N ()

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas

2 / 23

Non-self sustained discharge Daerah Ohm A-B Pada daerah ohm, gas mempunyai karakteristik seperti tahanan, artinya kuat au meningkat secra linier dengan tegangan. Mekanisme ini hanya berlaku untuk kuat medan yang relatif kecil, artinya selama konsentrasi pembawa muatan dalam ruang medan tidak dipengaruhi oleh medan listrik Daerah Jenuh B-C Pada daerah ini semua pembawa muatan akan tersedot karena medan listrik. Arus dibatasi oleh ion-ion yang terbentuk ruang medan persatuan waktu.

I Made Yulistya N ()

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas

3 / 23

Gas amplification B-C Elektron-elektron dipercepat melalui kuat medan. Karena elektron-elektron hanya kehilangan sedikit energi kinetik pada proses tumbukan dan melalui beberapa tumbukan Ekin > Ei , sehingga dengan ionisasi tumbukan pada gas akan terbentuk tambahan elektron-elektron. Gas amplification akan terjadi dan electron avalanche akan terbentuk.

N(x + ∆x) = N(x) + N(x) · α · ∆x

I Made Yulistya N ()

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas

4 / 23

N(x + ∆x) − N(x) = N(x) · α ∆x dN(x) N(x + ∆x) − N(x) = = N(x) · α lim ∆x→0 ∆x dx dN(x) = α · dx N(x) Z lnN(x) = αdx  Z αdx ⇒ N = N0 exp Persamaan ini hanya berlaku unutk kasus tanpa muatan ruang. Untuk N > 106 proses pembangkitan pembawa muatan melambat karena awan ion positif melemahkan medan luar sehinga menjadiR lebih kecil. Pada gas elektronegatif berlaku N(x) = N0 exp (α − η)dx I Made Yulistya N ()

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas

5 / 23

Self sustained gas discharge D - I Discharge dengan sendirinya berlangsung, jika melalui efek sekunder menghasilkan tambahan elektron awal. Koefisien Ionisasi Townsend kedua, γ = γo + γ1 + γ2

γ0 = Pembebasan elektron dari katode karena ion positif γ1 = Pembangkitan elektron pada ruang gas karena ion positif γ2 = Pembebasan elektron dari katode karena sinar photon

I Made Yulistya N ()

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas

6 / 23

Mekanisme Townsend

Townsend berlaku untuk avalanche gas amplification sampai N ≤ 108 1 Di depan katode terdapat N elektron awal 0 2 Melalui pembentukan avalanche datang pada anode sebanyak NA = N0 · e αd pembawa muatan 3 Jumlah pasangan yang terbentuk dalam ruang gas: NA − N0 = N0 · e αd − N0 = N0 · (e αd − 1) artinya akan terbentuk N0 · (e αd − 1) ion-ion positif 4 Ion-ion positif ini akan membangkitkan elektron awal baru generasi ke 2: γ · N0 · (e αd − 1) 5 Melalui pembentukan avalanche pada anode akan terbentuk: NA2 = γ · N0 · (e αd − 1) · e αd dan seterusnya. 6 Seluruh jumlah elektron yang terbentuk dari elektron awal N 0 menjadi: N = N0 · e αd + γ · N0 · (e αd − 1) · e αd + γ 2 · N0 · (e αd − 1)2 · e αd + · · · I Made Yulistya N ()

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas

7 / 23

Deret geometri ini konvergen pada N = N0 ·

e αd 1 − γ(e αd − 1)

untuk

γ(e αd − 1) < 1

⇒ Syarat penyalaan Townsend: γ(e αd − 1)

⇒

I →∞

”D”

Discharge akan self-sustinained, jika elektron mula generasi ke 1 dan avalanche yang terbentuk darinya meninggalkan elektron awal untuk pembangkitan pembentukan avalanche generasi ke 2, dengan kata lain Setiap elektron awal harus diproduksi. Untuk gas-gas elektronegatif, syarat penyalaannya: i γ · α h (α−η)d e −1 =1 α−η Mekanisme Townsend selama N < 108 elektron/avalanche, karena untuk avalanche elektron yang besar, muatan ruang positif akan mengganggu medan dan harus diperhitungkan I Made Yulistya N ()

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas

8 / 23

Untuk N > 108 (, pd > 200 · · · 1000Torr .cm) berlaku mekanisme streamer.

I Made Yulistya N ()

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas

9 / 23

Mekanisme Streamer

1

2 3

Townsend-avalanche bergerak kearah Anode, kecepatan muka avalanche VL = VD kecepatan elektron. Untuk N > 106 ⇒ Pembentukan muatan ruang Untuk N > 108 ⇒ distorsi medan E > E0 , ⇒ α > α0 di depan dan belakang kepala avalanche. I Made Yulistya N ()

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas

10 / 23

Avalanche kedua di depan dan di belakang avalanche utama

Depan Elektron awal yang terbentuk melalui photon berada pada situasi medan yang menguntungkan(E > E0 ) untuk memulai avalanche berikutnya, yang akan menginisiasi avalanche berikutnya ⇒ kecepatan tinggi perkembangan streamer. Ekor Pada titik berat muatan ruang positif bergeraknya avalanche kedua terinisiasi melalui photonen ke arah katode, meninggalkan muatan ruang positifnya sendiri dengan jarak yang makin berkurang didepan katode, karenanya maksimum ionisasi (muka avalanche) bergeser perlahan kearah katode. Secara visual solah-olah ionisasi bergerak kearah katode, meskipun sebenarnya semua avalanche bergerak dari katode ke anode I Made Yulistya N ()

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas

11 / 23

Dengan bertemunya streamer pada katode akan terbentuk gelombang ionisasi yang baru.Pada saat ini Streamer masih mempunyai tahanan yang tinggi sehingga tidak terjadi breakdown. Katode Positif ion dari streamer katode yang bertemu dengan katode akan menghasilkan elektron awal N0 dalam jumlah yang sangat banyak, sehingga gelombang ionisasi (paralel avalanche dalam jumlah besar) dengan arus tinggi dapat bergerak menuju anode Anode Jika elektron-elektron terserap pada anode, muatan ruang positif akan akan bertahan di depan Anode, sehingga anode seolah-olah bergeser pada ruang medan. Gelombang ionisasi akan bergerak ke anode dan katode dan memanaskan kanal ⇒ Breakdown

I Made Yulistya N ()

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas

12 / 23

Hukum Paschen

Paschen membuktikan secara ekperimental pada tahun 1889, bahwa pada medan homogen tegangan jatuh (breakdown voltage) hanya tergantung pada tekanan dikalikan dengan jarak (p · d) Breakdown tidak mungkin terjadi dibawah Vbmin pd > pdmin elektron menyebrangi sela, mambuat banyak tumbukan dengan molekul gas dari pada pdmin , tapi energi yang penambahan energinya lebih rendah. d besar→ E menjadi lebih kecil (α lebih kecil) I Made Yulistya N ()

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas

13 / 23

p besar → α kecil pd < pdmin elektron menyebrangi gap tanpa membuat banyak tumbukan. d makin kecil → elektron menghilang pada elektrode sebelum besar avalanche kritis terbentuk. p makin kecil → jalur bebas rata-ratanya terlalu besar. Pada titik pdmin efisiensi ionisasi paling besar.

Perumusan secara analitis untuk pdmin dan Vbmin : 1 e  ln 1 + A γ  B 1 = 2.718 ln +1 A γ

(pd)min = Vbmin

Secara parktis, dengan memasukkan nilai A = 12, B = 365 dan γ = 0.02 diperoleh

I Made Yulistya N ()

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas

14 / 23

Table: Spark minimum untuk berbagai jenis gas Gas Air Nitrogen Hydrogen Oxyen SF6 CO2 Neon Helium

pdmin torr cm 0.55 0.65 1.05 0.7 0.26 0.57 4.0 4.0

Vbmin volts 352 240 230 450 507 420 245 155

Nilai-nilai ini juga tergantung dari nilai fungsi kerja (work function) dari material elektrode Schumann, menyatakan breakdown voltage dengan persamaan: r E Kp Vb = pd + pd p C I Made Yulistya N ()

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas

15 / 23

Dengan memasukkan nilai konstanta E dan Kc yang dihitung oleh Sohst dan Schroeder untuk medan homogen pada p = 1, bar ; 20 ◦ C; E = 24.36(kV /cm); (K /C ) − 45.16(kV 2 )/cm, sehingga persamaan diatas menjadi: p kV Vb = 24.36(pd) + 6.72 pd

I Made Yulistya N ()

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas

16 / 23

Breakdown pada medan non-uniform Pada medan homogen atau tingkat ketidakhomogenannya rendah, streamer breakdown terjadi tanpa Partial Discharge. Pada medan tidak homogen, setelah tercapainya streamer kriteria akan terjadi pre-discharge, yang dibatasi pada daerah dengan meda listrik yang tinggi. Jika tegangan dinaikkan maka partial dischrage akan berkembang menjadi breakdown. Pada medan tidak homogen efek polaritas harus diperhatikan. Kondisi untuk breakdown (atau Inception of Discharge (awal terjadinya discharge)) secara umum adalah: Z xc α ⇒ αeff < 0). Ion positif telah membentuk elektron awal baru melalui emisi elektron sekunder dan mementuk avalanche pada sisinya. Elektron-elektron akan terakumulasi diluar daerah medan tinggi (x > xk ) dan menjadi ion negatif yang raltif tidak bergerak. Awan ion negatif mengurangi kua medan di depan negtif point dan menghentikan discharge. Muatan ruang negatif bergerak secara perlahan ke anode. Setelah perjalanan ini karakteristik medan awal akan terbentuk kembali dan discharge baru akan dimulai dari awal. Pengulangan sifat gelombang corona ini atau gelombang impuls ini memiliki waktu ke puncak beberapa ns dan frekuensi pengulangannya sekitar 100 kHz sampai MHz. I Made Yulistya N ()

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas

20 / 23

Gelombang pulsa beraturan ini disebut ”Trichel Pulses”

Figure: Negative point-plane breakdown and corona characteristics in atmospheric air (a) discharge mode, (b) pulse pattern I Made Yulistya N ()

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas

21 / 23

Positive Point to Plane Corona Discharge Sama seperti negatif corona discharge. Di depan point electrode elektron awal yang terbentuk bergerak menuju point elektrode dalam bentuk avalanche dan meninggalkan muatan ruang positif. Jika muatan ruang positif ini cukup besar, discharge akan terhenti. Setelah ion-ion ini bergerak dan medan kembali seperti semula maka proses discharge ini akan berulang.

Figure: Threshold curves for various modes of positive point-plane corona I Made Yulistya N ()

Kegagalan Elektrik Pada Isolasi Gas

22 / 23...