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
(s) adalah: Hubungan antara tegangan (V), kuat medan listrik (E) dan jarak kedua elektroda 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
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 :
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
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
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
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 :
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 (ε 0 ) 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
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
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 SF 6 Pada penggunaan pertama kali, pemutus tenaga gas SF 6 yang dipakai mempunyai tekanan ganda, namun pada tahun 1965 pemutus tenaga gas SF 6 bertekanan ganda ini sudah tidak dipakai dan diganti dengan pemutus tenaga gas SF 6 bertekanan tunggal. Pada Gambar 2.7 ditunjukkan pemutus tenaga gas SF 6 bertekanan tunggal. Gambar 2.7. Pemutus Tenaga SF 6 Bertekanan Tunggal
Pada Gambar 2.8 akan ditunjukkan proses pemadaman busur api pada pemutus tenaga gas SF 6 tipe tekanan tunggal. (a) (b) (c) (d) Gambar 2.8. Proses Terjadi Dan Pemadaman Busur Api Pada Pemutus Tenaga SF 6 Tekanan Tunggal
Keterangan : A = Busur Api P = Pipa Penghembus Gas SF 6 V = Saluran Penghembusan Gas SF 6 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 SF 6 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
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
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.