bab ii busur api listrik - Universitas Sumatera Utara

BAB II
BUSUR API LISTRIK
II.1 Definisi Busur Api Listrik
Bahan isolasi atau dielekrik adalah suatu bahan yang memiliki daya hantar arus
yang sangat kecil atau hampir tidak ada. Bila bahan isolasi tersebut berubah sifat
menjadi konduktif atau dengan kata lain, bahan isolasi tersebut bisa menghantarkan arus
listrik, maka bahan isolasi tersebut sudah tembus listrik (breakdown). Proses berubahnya
sifat isolator menjadi konduktif akan dijelaskan di bawah ini.
Pada Gambar 2.1, ditunjukkan dua elektroda sejajar yang dipisahkan dengan bahan
dielektrik, dimisalkan udara. Apabila elektroda dihubungkan ke sumber, maka akan
timbul medan listrik di antara kedua elektroda tersebut. Kuat medan listrik pada setiap
titik di antara kedua elektroda adalah sama.
Elektroda
Elektroda
E
Dielektrik
Keterangan :
1. V = Tegangan
2. E = Kuat medan listrik
3. s = Jarak Kedua Elektroda
s
V
+-
Gambar 2.1. Medan Listrik di Antara Dua Elektroda
Jhony : Pengaruh Busur Api Terhadap Kekuatan Dielektrik Gas SF6 , 2011
Universitas Sumatera Utara
Hubungan antara tegangan (V), kuat medan listrik (E) dan jarak kedua elektroda
(s) adalah:
2.1
Pada udara terdapat banyak atom-atom netral. Atom-atom netral tersebut memiliki
jumlah elektron dan proton yang sama. Elektron pada atom netral terikat dengan inti
atom netral, sehingga elektron tersebut tidak terlepas dari lintasannya. Medan listrik
yang timbul akan memberi gaya kepada elektron-elektron supaya terlepas dari ikatannya
dan menjadi elektron bebas. Dengan kata lain, medan listrik merupakan suatu beban
yang menekan dielektrik agar berubah sifat dari isolator menjadi konduktor. Setiap
dielektrik mempunyai batas kekuatan untuk memikul terpaan medan listrik.
Jika terpaan medan listrik yang dipikulnya lebih besar dari batas kekuatannya dan
terpaan berlangsung cukup lama, maka dielektrik akan menghantarkan arus listrik atau
dielektrik tersebut gagal melaksanakan fungsinya sebagai isolator. Dalam hal ini,
dielektrik disebut telah rusak atau tembus listrik (breakdown). Kekuatan dielektrik
adalah kuat medan listrik tertinggi yang dapat dipikul oleh suatu dielektrik tanpa
menyebabkan dielektrik tersebut tembus listrik (breakdown).
Setelah bahan dielektrik tersebut terjadi tembus listrik dan sumber tegangan tidak
dilepaskan, maka medan listrik di antara kedua elektroda akan tetap ada. Sehingga
Jhony : Pengaruh Busur Api Terhadap Kekuatan Dielektrik Gas SF6 , 2011
Universitas Sumatera Utara
kejadian tembus listrik tersebut akan berlanjut menjadi busur api. Jadi busur api akan
terjadi setelah ada kejadian tembus listrik yang mendahuluinya, dengan syarat :
1. Terpaan medan listrik harus lebih besar dari besar atau sama dengan kekuatan
dielektrik bahan isolasi tersebut.
2. Lama terpaan harus berlangsung lebih lama.
Jadi secara singkat, busur api dapat diartikan sebagai proses perpindahan muatan yang
terjadi di antara kedua elektroda dan yang melalui bahan dielektrik, dimana bahan
dielektrik tersebut telah berubah sifat dari isolasi menjadi konduktor.
Gambar di bawah menunjukkan busur api yang terjadi di antara dua elektroda.
Gambar 2.2. Busur Api di Antara Dua Elektroda
II.2 Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Terjadinya Busur Api Listrik
Busur
api
yang
terjadi
tidaklah
terlepas
dari
beberapa
faktor
yang
mempengaruhinya. Adapun faktor-faktor tersebut adalah :
Jhony : Pengaruh Busur Api Terhadap Kekuatan Dielektrik Gas SF6 , 2011
Universitas Sumatera Utara
1. Beda Potensial.
2. Jarak Antar Kedua Elektroda.
3. Bentuk Permukaan Elektroda.
4. Pengaruh Benda Lain Di Antara Kedua Elektroda.
Berikut akan dijelaskan secara singkat masing-masing pengaruh busur api di atas.
1.
Beda Potensial
Pada awal telah dijelaskan apabila di antara kedua elektroda sejajar diberikan
sumber tegangan, maka akan timbul medan listrik di antara kedua elektroda sejajar
tersebut yang besarnya sama dengan persamaan 2.1. Medan listrik yang terjadi di antara
kedua elektroda akan menerpa bahan isolasi yang juga berada di antara kedua elektroda.
Dimana medan listrik tersebut berbanding lurus dengan tegangan, dan berbanding
terbalik dengan jarak antara kedua elektroda. Semakin besar tegangan yang diberikan di
antara kedua elektroda, maka semakin besar pula medan listrik yang timbul. Apabila
kuat medan listrik yang menerpa bahan isolasi melebihi kekuatan dielektrinya, maka
bahan isolasi tersebut akan tembus listrik yang berlanjut menjadi busur api.
2.
Jarak Antar Kedua Elektroda
Seperti pada persamaan 2.1, semakin dekat jarak antara kedua elektroda, maka
medan listrik yang ditimbulkan juga akan semakin besar. Apabila kuat medan listrik
Jhony : Pengaruh Busur Api Terhadap Kekuatan Dielektrik Gas SF6 , 2011
Universitas Sumatera Utara
yang menerpa bahan isolasi lebih besar dari kekuatan dielektrik bahan isolasi tersebut,
maka bahan isolasi akan tembus listrik yang berlanjut menjadi busur api.
3.
Bentuk Permukaan Elektroda
Bentuk permukaan dari elektroda akan mempengaruhi terjadinya busur api.
Berikut akan dijelaskan secara singkat pengaruh dari bentuk permukaan elektroda
tersebut.
Apabila di antara dua buah elektroda sejajar diberikan sumber tegangan, maka
akan timbul medan listrik di antara kedua elektroda sejajar tersebut. Garis-garis yang
menghubungkan kedua elektroda disebut garis-garis medan listrik. Garis-garis medan
listrik tersebut sering juga disebut sebagai garis-garis gaya listrik.
Gambar 2.3 berikut ini menunjukkan garis-garis medan listrik yang timbul di
antara dua elektroda plat sejajar yang dihubungkan ke sumber tegangan.
Gambar 2.3. Garis-Garis Medan Listrik di Antara Kedua Elektroda
Jhony : Pengaruh Busur Api Terhadap Kekuatan Dielektrik Gas SF6 , 2011
Universitas Sumatera Utara
Muatan positif akan menunjukkan garis-garis gaya listrik yang mengarah keluar
dari muatan, sedangkan pada muatan negatif garis-garis gaya listrik akan mengarah ke
dalam muatan, seperti yang ditunjukkan Gambar 2.4.
+
-
(a)
(b)
Gambar 2.4. Garis-Garis Gaya Listrik Pada Muatan Positif dan Negatif
Apabila muatan positif dan muatan negatif berada pada jarak tertentu, maka garisgaris gaya listrik di antara kedua muatan tersebut seperti pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5. Garis-Garis Gaya Listrik Di antara Muatan Positif dan Negatif
Jhony : Pengaruh Busur Api Terhadap Kekuatan Dielektrik Gas SF6 , 2011
Universitas Sumatera Utara
Apabila kedua muatan yang berdekatan adalah muatan yang sejenis, dimisalkan
muatan positif, maka garis-garis gaya listriknya seperti Gambar 2.6.
Gambar 2.6. Garis-Garis Gaya Listrik di Antara Dua Muatan Positif
Dimana jumlah garis-garis medan listrik yang menembus tegak lurus suatu bidang
didefinisikan sebagai fluks listrik dan disimbolkan dengan Φ. Persamaan untuk fluks
listrik tersebut adalah :
2.2
Keterangan :
Φ = Fluks Listrik
E = Kuat Medan Listrik
A = Luas permukaan Elektroda
Dasar dari konsep fluks listrik inilah Gauss menemukan hukumnya. Dimana
hukum Gauss menyatakan sebagai berikut :
Jhony : Pengaruh Busur Api Terhadap Kekuatan Dielektrik Gas SF6 , 2011
Universitas Sumatera Utara
“ Jumlah garis-garis medan listrik (fluks listrik) yang menembus suatu permukaan
tertutup sama dengan jumlah muatan listrik yang dilingkupi oleh permukaan tertutup itu
dibagi dengan permitivitas udara (ε0) “
Sehingga persamaan untuk hukum Gauss tersebut adalah :
2.3
Dari Persamaan 2.2 dan 2.3 akan kita dapatkan persamaan yang baru yaitu :
2.4
Sedangkan persamaan rapat muatan listrik per satuan luas adalah :
2.5
Sehingga apabila Persamaan 2.4 dan Persamaan 2.5 disubstitusikan, akan didapat
persamaan sebagai berikut :
2.6
Jhony : Pengaruh Busur Api Terhadap Kekuatan Dielektrik Gas SF6 , 2011
Universitas Sumatera Utara
Dari Persamaan 2.5 dapat dilihat bahwa, apabila luas permukaan elektroda
semakin besar, maka rapat muatan listrik akan semakin kecil yang artinya rapat muatan
tersebut tidaklah terlalu rapat. Tetapi untuk luas permukaan yang runcing atau luas
permukaan yang kecil, maka rapat muatannya akan semakin besar yang artinya rapat
muatan tersebut akan semakin rapat. Sehingga dari Persamaan 2.6 dapat kita lihat,
apabila rapat muatan semakin rapat, maka medan listrik yang timbul akan semakin besar
pula, dan sebaliknya.
Oleh karena itu, untuk elektroda-elektroda yang permukaannya runcing ataupun
yang mempunyai luas permukaan yang lebih kecil, akan memiliki peluang yang lebih
besar untuk menimbulkan busur api.
4.
Pengaruh Benda Lain Di Antara Kedua Elektroda
Apabila di antara dua elektroda plat sejajar diberikan sumber tegangan, maka
dielektrik yang berada di antara kedua elektroda plat akan diterpa medan listrik. Jika
dimisalkan dielektrik tersebut adalah udara, maka bisa saja di antara kedua elektroda plat
tersebut terdapat suatu benda yang bersifat konduktif. Dengan demikian, antara
elektroda plat dan benda lain tersebut akan timbul medan listrik. Kuat medan listrik yang
timbul antara elektroda plat dengan benda lain tersebut relatif besar karena jarak antara
elektroda plat dengan benda lain relatif dekat, sehingga kejadian tembus listrik bisa
terjadi di antara elektroda plat dengan benda lain dan berlanjut menjadi busur api. Busur
Jhony : Pengaruh Busur Api Terhadap Kekuatan Dielektrik Gas SF6 , 2011
Universitas Sumatera Utara
api yang terjadi antara elektroda plat dengan benda lain tersebut akan mempengaruhi
daerah yang belum terjadi busur api, sehingga lama kelamaan di antara kedua elektroda
plat akan terjadi busur api.
II.3 Proses Terjadinya Busur Api Pada Pemutus Tenaga Gas SF6
Pada penggunaan pertama kali, pemutus tenaga gas SF6 yang dipakai mempunyai
tekanan ganda, namun pada tahun 1965 pemutus tenaga gas SF6 bertekanan ganda ini
sudah tidak dipakai dan diganti dengan pemutus tenaga gas SF6 bertekanan tunggal.
Pada Gambar 2.7 ditunjukkan pemutus tenaga gas SF6 bertekanan tunggal.
Gambar 2.7. Pemutus Tenaga SF6 Bertekanan Tunggal
Jhony : Pengaruh Busur Api Terhadap Kekuatan Dielektrik Gas SF6 , 2011
Universitas Sumatera Utara
Pada Gambar 2.8 akan ditunjukkan proses pemadaman busur api pada pemutus
tenaga gas SF6 tipe tekanan tunggal.
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 2.8. Proses Terjadi Dan Pemadaman Busur Api Pada Pemutus Tenaga SF6
Tekanan Tunggal
Jhony : Pengaruh Busur Api Terhadap Kekuatan Dielektrik Gas SF6 , 2011
Universitas Sumatera Utara
Keterangan :
A
= Busur Api
P
= Pipa Penghembus Gas SF6
V
= Saluran Penghembusan Gas SF6
6
= Kontak Tetap
8
= Kontak Bergerak
9
= Penjepit Kontak
Pada keadaan normal, kontak-kontak dalam keadaan terhubung, seperti
ditunjukkan pada Gambar 2.8.a. Gambar 2.8.b menunjukkan kontak-kontak pemutus
tenaga tersebut mulai terpisah, dan pada saat sudah terpisah, akan terjadi busur api di
antara kontak tetap dan kontak bergerak, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.8.c.
Pada saat itu juga, gas SF6 yang berada di dalam pemutus tenaga tersebut akan di tiup ke
atas melalui penjepit kontak-kontak. Maka busur api yang terjadi akan terdorong ke atas
dan kesamping, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.8.d. Sehingga busur api akan
padam.
II.4 Panas Yang Ditimbulkan Busur Api Listrik
Pemutus tenaga (circuit breaker) memiliki 2 kontak yaitu kontak tetap dan kontak
bergerak. Pada keadaan normal atau pada saat pemutus tenaga bekerja, kontak tetap dan
Jhony : Pengaruh Busur Api Terhadap Kekuatan Dielektrik Gas SF6 , 2011
Universitas Sumatera Utara
kontak bergerak dalam keadaan tertutup. Pada saat pemutus tenaga bekerja, arus listrik
yang disalurkan dari pusat pembangkit ke beban akan mengalir melalui kontak-kontak
pemutus tenaga tersebut. Arus listrik ini disebut arus sistem. Pada keadaan tidak normal
atau saat terjadi gangguan pada sistem, pemutus tenaga akan membuka kontakkontaknya untuk membuka rangkaian sistem. Pada saat kontak-kontak pemutus tenaga
ini membuka, akan terjadi busur api di antara kontak-kontaknya.
Gambar 2.9 berikut menunjukkan busur api yang terjadi di antara kontak-kontak
pemutus tenaga pada saat kontak terbuka.
Gambar 2.9. Busur Api Di Antara Kedua Kontak Pemutus Tenaga
Busur api yang terjadi mempunyai nilai tahanan atau resistansi. Besarnya nilai
tahanan dari busur api tersebut adalah :
2.7
Jhony : Pengaruh Busur Api Terhadap Kekuatan Dielektrik Gas SF6 , 2011
Universitas Sumatera Utara
Dalam hal ini :
R = Tahanan Busur Api (Ω)
= Tahanan Jenis Busur Api (Ω m)
L = Panjang Busur Api (m)
A = Luas Penampang Busur Api ( )
Oleh karena busur api mempunyai tahanan, maka busur api akan menimbulkan
panas di antara sela kedua kontak pemutus tenaga.
Energi Panas yang ditimbulkan oleh busur api adalah :
! " # # $
2.8
Dalam hal ini :
H = Energi Panas Busur Api (Joule)
I = Arus Sistem (Ampere)
R = Tahanan Busur Api (Ω)
t = Lama Busur Api Terjadi (Detik)
Busur api yang terjadi akan menimbulkan panas di antara sela kedua kontakkontak pemutus tenaga, memanaskan isolasi yang berada di antara sela kontak-kontak
tersebut.
Jhony : Pengaruh Busur Api Terhadap Kekuatan Dielektrik Gas SF6 , 2011
Universitas Sumatera Utara