ANALISIS RANGKAIAN GENERATOR IMPULS UNTUK MEMBANGKITKAN TEGANGAN IMPULS PETIR MENURUT BERBAGAI STANDAR Wangto Ratta Halim, Syahrawardi Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail:
[email protected]
Abstrak Pada tegangan impuls yang disebabkan oleh sambaran petir, waktu yang diperlukan untuk mencapai puncak gelombang dan waktu penurunan tegangan sangat bervariasi sehingga perlu ditetapkan bentuk standar tegangan impuls petir untuk keperluan pengujian. Terdapat beberapa standar mengenai tegangan impuls petir diantaranya standar Jepang, Inggris, Amerika dan International Electrotechnical Commission (IEC). Masingmasing standar memiliki perbedaan dari segi waktu muka dan waktu ekor gelombang. Paper ini menganalisis bentuk tegangan impuls petir sesuai standar Jepang, Inggris, Amerika dan IEC, serta menyajikan cara menentukan nilai resistansi, induktansi dan kapasitansi generator impuls untuk menghasilkan bentuk gelombang impuls petir sesuai masing-masing standar. Dari hasil analisis dapat dilihat bahwa nilai tegangan puncak, waktu muka dan waktu ekor gelombang dapat diatur dengan mengubah nilai resistansi, induktansi dan kapasitansi pada generator impuls. Pada = 100 kV dan η = 90% nilai komponen untuk generator impuls RLC dengan spesifikasi W = 1 kJ, membangkitkan tegangan impuls petir berdasarkan standar IEC adalah C = 162 nF, L = 88,72 µH, = 396,08 Ω, = 37,80 Ω.
Kata Kunci: gelombang impuls, generator impuls petir, standar gelombang impuls petir 1.
masing standar dapat dibuat dengan mengubah nilai resistansi, induktansi dan kapasitansi pada generator impuls RLC atau dengan mengubah nilai resistansi dan kapasitansi pada generator impuls RC dan generator Marx.
Pendahuluan
Pada saat beroperasi suatu sistem tenaga listrik dapat mengalami tegangan lebih impuls yang disebabkan oleh adanya operasi hubungbuka ataupun karena sambaran petir pada sistem tenaga listrik langsung ataupun tidak langsung. Tegangan impuls ini dapat mengakibatkan kerusakan pada peralatan sistem tenaga listrik. Oleh karena itu, peralatan perlu diuji dengan tegangan tinggi impuls untuk mengetahui ketahanan peralatan dalam memikul tegangan lebih impuls. Agar dapat melakukan riset dan pengujian ketahanan peralatan terhadap tegangan impuls, maka perlu ditetapkan referensi atau standar mengenai bentuk gelombang impuls. Terdapat beberapa standar mengenai bentuk gelombang impuls petir diantaranya standar Jepang, Inggris, Amerika dan IEC. Selain itu, terdapat pula beberapa jenis pembangkit tegangan tinggi impuls seperti generator impuls RLC, generator impuls RC dan generator Marx. Bentuk dan waktu gelombang impuls dapat diatur dengan mengubah nilai komponen rangkaian generator impuls. Dengan demikian, bentuk gelombang impuls petir sesuai masing-
2.
Tegangan Impuls
Tegangan impuls adalah tegangan yang naik dalam waktu singkat sekali kemudian disusul dengan penurunan yang relatif lambat menuju nol. Ada tiga bentuk tegangan impuls yang mungkin menerpa sistem tenaga listrik yaitu tegangan impuls petir yang disebabkan oleh sambaran petir, tegangan impuls hubung buka yang disebabkan oleh adanya operasi hubung-buka dan tegangan impuls petir terpotong [1]. Bentuk ketiga jenis tegangan impuls tersebut ditunjukkan pada Gambar 1. V
V
t
V
t
t
Gambar 1. Bentuk gelombang tegangan impuls [1]
Tegangan impuls didefinisikan sebagai suatu gelombang yang berbentuk eksponensial ganda yang dapat dinyatakan dengan persamaan: -1-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM =
VOL. 8 NO. 1/Juli 2014 (1)
−
Definisi bentuk gelombang impuls [2]: 1. Bentuk dan waktu gelombang impuls dapat diatur dengan mengubah nilai komponen rangkaian generator impuls. 2. Nilai puncak (peak value) merupakan nilai maksimum gelombang impuls. 3. Muka gelombang (wave front) didefinisikan sebagai bagian gelombang yang dimulai dari titik nol sampai titik puncak. Waktu muka (Tf) adalah waktu yang dimulai dari titik nol sampai titik puncak gelombang. 4. Ekor gelombang (wave tail) didefinisikan sebagai bagian gelombang yang dimulai dari titik puncak sampai akhir gelombang. Waktu ekor (Tt) adalah waktu yang dimulai dari titik nol sampai setengah puncak pada ekor gelombang.
Gambar 3. Rangkaian generator impuls RC
3.
Langkah-langkah yang ditempuh dalam penelitian ini meliputi : 1. Tahap Persiapan Tujuan dari tahap persiapan penelitian adalah untuk mempersiapkan dan mengumpulkan informasi berupa data-data yang diperlukan untuk melakukan analisis. 2. Tahap Perhitungan Data Tahap ini dimulai dengan menghitung nilai parameter pada setiap generator impuls.
Standar bentuk gelombang impuls petir yang dipakai oleh beberapa negara ditunjukkan pada Tabel 1:
Tahap-tahap penentuan nilai C, L, , dan pada generator impuls RLC adalah sebagai berikut [1]: Menentukan kapasitas (W), tegangan puncak impuls ( ), waktu muka ( ), waktu ekor ( ), dan efisiensi ( ) generator impuls yang direncanakan. Menghitung nilai k
Tabel 1 Standar bentuk tegangan impuls petir [2] × Standar Jepang 1 x 40 µs Jerman dan Inggris 1 x 50 µs Amerika 1,5 x 40 µs IEC 1,2 x 50 µs
=
(2) Dari Tabel 2 ditentukan nilai ln untuk nilai k yang dihitung pada langkah kedua di atas.
Nilai toleransi waktu muka dan waktu ekor gelombang untuk standar Jepang adalah 0,5 – 2 μs dan 35 – 50 μs, standar Inggris 0,5 – 1,5 μs dan 40 – 60 μs, sedangkan untuk standar Amerika adalah 1,0 – 2,0 μs dan 30 – 50 μs. Untuk tegangan impuls petir berdasarkan standar IEC, penyimpangan waktu muka (Tf) yang ditolerir adalah ±30%, sedang penyimpangan waktu ekor (Tt) yang ditolerir adalah ±20% [2].
Tabel 2 Hubungan k dengan ln b k ln b 10 3,922 26,66 5,225 30 5,422 40 5,784 41,66 5,834 50 6,059 60 6,281 Menghitung nilai
Alat yang digunakan untuk membangkitkan tegangan tinggi impuls disebut generator impuls. Rangkaian generator impuls RLC ditunjukkan pada Gambar 2.
impuls
=
1 ln 2
=
+1 −1
(3) Mencari nilai berdasarkan nilai ln yang telah diketahui. Menghitung nilai
Menghitung pemuat C
Gambar 2. Rangkaian generator impuls RLC Rangkaian generator ditunjukkan pada Gambar 3.
Metode Penelitian
RC
besarnya =2
-2-
kapasitansi
(4) kapasitor
(5)
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 1/Juli 2014 generator impuls, maka dilanjutkan dengan menampilkan bentuk gelombang tegangan impuls petir. Bentuk gelombang tegangan impuls petir dapat ditampilkan dengan menggunakan software PSpice [5,6]. Namun, pada penelitian ini software yang digunakan adalah PSIM.
Menghitung nilai L =
(
1 −
)
(6)
(
2 −
)
(7)
Menghitung nilai R =
Menghitung nilai
=
Menghitung nilai
−
4.
(8)
Sebelum melakukan analisis maka terlebih dahulu harus dihitung nilai komponen yang ada pada rangkaian generator impuls. Dalam hal ini perlu ditetapkan spesifikasi generator impuls RLC dan RC sebagai berikut: Kapasitas Generator Impuls : W = 1 kJ Tegangan Maksimum : = 100 kV Efisiensi : η = 90 %
=
−
(9)
Sedangkan tahap-tahap penentuan nilai C1, C2, R1 dan R2 pada generator impuls RC adalah sebagai berikut [3,4]: Menentukan kapasitas (W), tegangan puncak impuls ( ), waktu muka ( ), waktu ekor ( ), dan efisiensi ( ) generator impuls yang direncanakan. Menghitung nilai C1 =2
Rangkaian generator impuls RLC untuk menghasilkan tegangan impuls petir berdasarkan standar IEC ditunjukkan pada Gambar 4. Nilai komponen generator impuls telah dihitung sebelumnya dengan menggunakan Program Matlab.
(10)
Menghitung nilai C2 =
−
=
⁄
Hasil dan Analisis
(11)
Menghitung nilai γ (12)
Mencari nilai α dan β dari Tabel 3 Tabel 3 Nilai α dan β untuk berbagai bentuk gelombang [3,4] Bentuk Gelombang α β 0,5 / 5 4,080 3,992 1/5 1,557 1,366 1 / 10 2,040 1,961 1 / 40 2,910 2,892 1 / 50 3,044 3,029 1,2 / 50 2,445 2,431 1,5 / 40 1,776 1,757 Menghitung nilai R2 =
1
1+ ⎡ ± ( − − ⎢ 1+ ⎢ ( − ) ⎣
)⎤ ⎥ ⎥ ⎦
Gambar 4. Rangkaian generator impuls RLC berdasarkan standar IEC Bila rangkaian di atas dijalankan akan diperoleh bentuk gelombang tegangan impuls petir seperti Gambar 5.
(13) Gambar 5. Bentuk gelombang impuls petir generator RLC berdasarkan standar IEC
Menghitung nilai R1 =
1
⎡ ⎢ ⎢ ± ⎣
1+ −
1+
(
−
⎤ ⎥ )⎥ ⎦
Berdasarkan bentuk gelombang impuls petir di atas dapat dilihat bahwa Vmaks = 100,001 kV ≈ 100 kV η = 90 % Tf = 1,2 μs Tt = 49,984 µs ≈ 50 μs
(14)
Perhitungan parameter generator impuls ini dilakukan secara manual dan juga dengan menggunakan software Matlab. Setelah diperoleh semua parameter pada masing-masing
Rangkaian generator impuls RC untuk menghasilkan tegangan impuls petir berdasarkan standar IEC ditunjukkan pada Gambar 6. -3-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 1/Juli 2014 Tf = 1,311 μs
Tt = 50,102 μs
Terlihat bahwa waktu muka gelombang (Tf) menjadi lebih lama. Rangkaian generator impuls RLC yang digunakan memiliki induktor L sebesar 88,72 μH. Untuk menghilangkan pengaruh induktansi sasar maka induktor L ini harus diganti dengan induktor yang memiliki induktansi sebesar (88,72 – 10) μH atau 78,72 μH. Pada generator impuls RC kehadiran induktansi sasar sebesar 10 μH pada rangkaian akan menyebabkan bentuk gelombang impuls petir seperti Gambar 10.
Gambar 6. Rangkaian Generator Impuls RC berdasarkan standar IEC Bila rangkaian di atas dijalankan akan diperoleh bentuk gelombang tegangan impuls petir seperti Gambar 7.
Gambar 7. Bentuk gelombang impuls petir generator RC berdasarkan standar IEC Berdasarkan bentuk gelombang impuls petir di atas dapat dilihat bahwa Vmaks = 100,004 kV ≈ 100 kV η = 88,5 % Tf = 1,204 μs ≈ 1,2 μs Tt = 50,92 μs ≈ 50 μs
Gambar 10. Bentuk gelombang impuls petir generator RC dengan induktansi sasar Cara untuk meredam osilasi pada muka gelombang impuls adalah dengan memperbesar nilai resistansi seri R1. Namun meningkatnya nilai R1 akan menyebabkan waktu muka gelombang (Tf ) bertambah besar. Hal ini dapat diatasi dengan memperkecil nilai kapasitansi C2. Gambar 11 menunjukkan rangkaian generator impuls dengan nilai R1 dan C2 yang diubah untuk meredam osilasi yang disebabkan induktansi sasar.
Dengan kehadiran induktansi sasar sebesar 10 μH pada rangkaian generator impuls RLC maka rangkaian generator sekarang menjadi seperti Gambar 8.
Gambar 8. Rangkaian generator impuls RLC dengan induktansi sasar Bila rangkaian di atas dijalankan akan diperoleh bentuk gelombang tegangan impuls petir seperti Gambar 9.
Gambar 11. Rangkaian generator impuls RC dengan perubahan nilai R1 dan C2 Bila rangkaian di atas dijalankan akan diperoleh bentuk gelombang tegangan impuls petir seperti Gambar 12.
Gambar 9. Bentuk gelombang impuls petir generator RLC dengan induktansi sasar Gambar 12. Bentuk gelombang impuls petir generator RC
Berdasarkan bentuk gelombang impuls petir di atas diperoleh Vmaks = 99,874 kV η = 89,9 % -4-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 1/Juli 2014
Berdasarkan bentuk gelombang impuls petir di atas dapat dilihat bahwa Vmaks = 107,369 kV η = 95 % Tf = 1,450 μs Tt = 47,182 μs Nilai waktu muka dan waktu ekor gelombang ini masih berada dalam batas toleransi standar IEC.
Bila rangkaian di atas dijalankan akan diperoleh bentuk gelombang tegangan impuls petir seperti Gambar 16.
Rangkaian generator impuls RLC untuk standar IEC dengan kehadiran beban induktif ditunjukkan pada Gambar 13. Gambar 16. Bentuk gelombang impuls petir generator RLC Berdasarkan bentuk gelombang impuls petir di atas dapat dilihat bahwa Vmaks = 98,466 kV η = 88,6 % Tf = 1,419 μs Tt = 49,963 μs Nilai waktu muka dan waktu ekor gelombang ini berada dalam batas toleransi standar IEC.
Gambar 13. Rangkaian generator impuls RLC dengan beban induktif Bila rangkaian di atas dijalankan akan diperoleh bentuk gelombang tegangan impuls petir seperti Gambar 14.
Pada generator impuls RC kehadiran beban induktif sebesar 10 mH pada rangkaian akan menyebabkan bentuk gelombang impuls petir seperti Gambar 17.
Gambar 14. Bentuk gelombang impuls petir generator RLC dengan beban induktif Berdasarkan bentuk gelombang impuls petir di atas dapat dilihat bahwa Vmaks = 98,935 kV η = 89 % Tf = 1,146 μs Tt = 26,634 μs
Gambar 17. Bentuk gelombang impuls petir generator RC dengan beban induktif Berdasarkan bentuk gelombang impuls petir di atas dapat dilihat bahwa Vmaks = 99,894 kV η = 88,4 % Tf = 1,182 μs Tt = 28,279 μs
Tampak bahwa nilai waktu ekor gelombang lebih singkat daripada batas toleransi standar IEC dan juga terdapat undershoot pada ekor gelombang. Untuk mengatasi undershoot dapat dilakukan dengan cara memperbesar nilai kapasitansi C. Namun meningkatnya nilai C akan menyebabkan waktu ekor gelombang (Tt ) bertambah besar. Untuk mempertahankan waktu ekor gelombang agar berada dalam batas toleransi maka nilai R0 harus diperkecil. Ini ditunjukkan pada Gambar 15.
Tampak bahwa nilai waktu ekor gelombang lebih singkat daripada batas toleransi standar IEC dan juga terdapat undershoot pada ekor gelombang. Efek undershoot dapat diredam dengan memperbesar nilai kapasitansi C1. Namun meningkatnya nilai C1 akan menyebabkan waktu ekor gelombang (Tt) bertambah besar. Untuk mempertahankan waktu ekor gelombang agar berada dalam batas toleransi maka nilai R2 harus diperkecil [7,8]. Ini ditunjukkan pada Gambar 18.
Gambar 15. Rangkaian generator impuls RLC dengan perubahan nilai C dan R0 -5-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 1/Juli 2014
3. Gambar 18. Rangkaian generator impuls RC dengan perubahan nilai C1 dan R2 Bila rangkaian di atas dijalankan akan diperoleh bentuk gelombang tegangan impuls petir seperti Gambar 19.
4.
Gambar 19. Bentuk gelombang impuls petir generator RC
6
Daftar Pustaka
[1] Tobing, B. L. 2012. Dasar-Dasar Teknik Pengujian Tegangan Tinggi. Edisi Kedua. Jakarta: Erlangga. [2] Arismunandar, A. 1984. Teknik Tegangan Tinggi. Jakarta: PT Pradnya Paramita. [3] Wadhwa, C. L. 2007. High Voltage Engineering. Second Edition. New Delhi: New Age International (P) Limited, Publisher. [4] JHA, R. S. 1977. High Voltage Engineering. Delhi: Dhanpat Rai & Sons. [5] Kamarudin, M. S. 2008. Impulse Generator and Lightning Characteristics Simulation Using Orcad PSpice Software. Proceedings of EnCon2008 2nd Engineering Conference on Sustainable Engineering Infrastructures Development & Management, 1032-1037. [6] Palati, M. 2012. Simulation of Lightning Characteristics using PSpice Software. International Journal of Advanced Electrical and Electronics Engineering, 1(3), 7-10. [7] Schrader, W. 2000. Impulse Voltage Test of Power Transformers. HV Testing, Monitoring and Diagnostics Workshop, 1-6. [8] Feser, K. Circuit Design of Impulse Generators for the Lightning Impulse Voltage Testing of Transformers. Haefely, 1-8.
Berdasarkan bentuk gelombang impuls petir di atas dapat dilihat bahwa Vmaks = 110,502 kV Tf = 1,336 μs Tt = 49,043 μs Nilai waktu muka dan waktu ekor gelombang ini berada dalam batas toleransi standar IEC.
5
Standar Inggris: C1 = 162 nF, C2 = 18 nF, R1 = 10,17 Ω, R2 = 370,27 Ω Standar Amerika: C1 = 162 nF, C2 = 18 nF, R1 = 17,48 Ω, R2 = 292,22 Ω Standar IEC: C1 = 162 nF, C2 = 18 nF, R1 = 12,66 Ω, R2 = 396,70 Ω Pada generator impuls RLC waktu ekor gelombang berbanding lurus dengan nilai R0. Semakin besar nilai R0, semakin besar pula waktu ekor gelombang dan juga sebaliknya. Pada generator impuls RC waktu muka gelombang berbanding lurus dengan nilai R1. Semakin besar nilai R1, semakin besar pula waktu muka gelombang dan juga sebaliknya. Sedangkan waktu ekor gelombang berbanding lurus dengan nilai R2. Semakin besar nilai R2, semakin besar pula waktu ekor gelombang dan juga sebaliknya.
Kesimpulan
Berdasarkan hasil analisis yang dilakukan, maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Pada generator impuls RLC dengan spesifikasi W = 1 kJ, = 100 kV dan η = 90% nilai komponen untuk membangkitkan tegangan impuls petir untuk masing-masing standar adalah Standar Jepang: C = 162 nF, L = 59,61 µH, = 316,86 Ω, = 30,04 Ω Standar Inggris: C = 162 nF, L = 71,62 µH, = 397,07 Ω, = 38,92 Ω Standar Amerika: C = 162 nF, L = 93,54 µH, = 303,29 Ω, = 26,07 Ω Standar IEC: C = 162 nF, L = 88,72 µH, = 396,08 Ω, = 37,80 Ω 2. Pada generator impuls RC dengan spesifikasi W = 1 kJ, = 100 kV dan η = 90 % nilai komponen untuk membangkitkan tegangan impuls petir untuk masing-masing standar adalah Standar Jepang: C1 = 162 nF, C2 = 18 nF, R1 = 10,64 Ω, R2 = 308,54 Ω -6-
copyright @ DTE FT USU
