PERCOBAAN - I PEMBANGKITAN DAN PENGUKURAN TEGANGAN TINGGI BOLAK-BALIK

PERCOBAAN - I PEMBANGKITAN DAN PENGUKURAN TEGANGAN TINGGI BOLAK-BALIK

1.1

DASAR TEORI Tegangan tinggi bolak-balik banyak dipergunakan untuk pengujian

peralatan listrik yang memiliki kapasitansi besar seperti kabel tegangan tinggi dan isolator, untuk penelitian, dan sebagai sumber untuk pembangkitan tegangan tinggi searah dan impuls, utamanya pada percobaan di laboratorium.

1.2.1 Pembangkitan Tegangan Tinggi Bolak-Balik Untuk membangkitan tegangan tinggi bolak-balik di laboratorium, maka digunakan transformator uji tegangan tinggi tiga belitan (dapat digunakan untuk rangkaian bertingkat kaskade). Jenis transformator ini memiliki perbandingan belitan yang sangat besar antara belitan tegangan tinggi H dan belitan tegangan rendah atau eksitasi E. Transformator uji tegangan tinggi tersebut mampu menghasilkan tegangan yang sangat tinggi namun menyerap daya yang lebih rendah dibanding dengan trafo daya. Keuntungan lainnya ialah dapat membangkitkan tegangan tinggi hingga di atas ratus kV dengan menyusun beberapa trafo uji tersebut secara seri atau susunan kaskade. 1.2.2 Pengukuran Tegangan Tinggi Bolak-Balik Pada percobaan ini, pengukuran tegangan tinggi bolak-balik dapat dilakukan dengan menggunakan tiga buah metode yaitu: 1. Sela bola. 2. Rangkaian penyearah. 3. Rasio belitan.

Materi Praktikum Tegangan Tinggi

Halaman - 1

1.2.2.1 Pengukuran Tegangan Puncak dengan Sela Bola Apabila besar tegangan uji yang diterapkan pada suatu sela bola di dalam udara melampaui nilai tegangan tembus statisnya, maka dalam selang waktu beberapa μs terjadi tembus elektrik pada sela bola tersebut. Selama selang waktu itu, nilai puncak tegangan tinggi bolak-balik pada trafo dianggap konstan. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa tembus elektrik pada gas atau udara dengan menerapkan tegangan tinggi bolak-balik frekuensi rendah, selalu terjadi pada saat nilai puncak tegangannya. Menurut standard IEC dan VDE, tegangan tembus elektrik suatu sela 0

bola pada kondisi atmosfer standar (p0 = 760 torr = 1013 mbar dan t0 = 20 C = 0

293 K) untuk berbagai diameter bola D ialah sebagai fungsi dari besar jarak sela s. Ûd0 = f(D,s) Karena kondisi atmosfer atau besar kerapatan udara yang sangat bervariasi menurut waktu dan tempat, maka menyebabkan karakteristik tembus juga terpengaruh perubahan kondisi atmosfer. Menurut Kuffel dan Zaengl, besar tegangan tembus elektrik (Ud = Ûd) pada berbagai kondisi atmosfer dirumuskan sebagai berikut: Ud = δÛd0 δ

= p  293  0,386 760

δ

(1.1) 273  t

= p  293  0,289 1013 273  t

p (p dalam torr) 273  t

(1.2)

p (p dalam mbar) 273  t

(1.3)

dengan substitusi persamaan 1.3 ke dalam persamaan 1.1, didapatkan: Ud = 0,289

p Ûd0 273  t


(1.4)

Halaman - 2

keterangan: Ûd0 = tegangan tembus untuk sela bola menurut Schwaiger pada kondisi kerapatan udara standar (kV) Ud = tegangan tembus yang terjadi pada sela bola (kV) δ = faktor koreksi atau disebut sebagai kerapatan udara relatif p = tekanan udara pada ruangan (mbar) 0 t = temperatur udara pada ruangan ( C) s = jarak sela bola (cm) D = diameter bola (cm) 1.2.2.2 Pengukuran Tegangan Rata-rata dengan Rangkaian Penyearah Pada metode ini, trafo uji diseri dengan dioda tegangan tinggi sebagai penyearah setengah gelombang. Tegangan pada terminal keluaran dioda ialah tegangan tinggi searah yang mengandung ripel tegangan sebesar



U karena

adanya kapasitor perata. Besar tegangan rata-rata akan terbaca pada alat ukur yaitu DGM yang terhubung dengan resistor tegangan tinggi sebagai pembagi tegangan resistif (untuk lebih jelasnya, lihat gambar 1.2). Tegangan yang terukur pada DGM ialah U dc, dan dengan menggunakan nilai tersebut didapatkan besar tegangan tembus bolak-balik pada sela bola sebagai berikut: Uac =

U dc

kV

(1.5)

2

1.2.2.3 Pengukuran Tegangan Puncak dengan Rasio Belitan Rasio belitan pada trafo uji tegangan tinggi merupakan perbandingan antara jumlah lilitan tegangan tinggi atau sekunder dengan lilitan tegangan rendah atau primer.

N H U H nom  N E U E nom

(1.6)

keterangan: UE nom = tegangan nominal primer trafo (V) UH nom = tegangan nominal sekunder trafo (kV)


Halaman - 3

Besar tegangan di atas dapat dilihat pada name plate trafo uji. Pada Gambar 1.1.b ditunjukkan rangkaian ekivalen dari trafo uji tegangan tinggi. Dari gambar tersebut terlihat bahwa rangkaian ekivalen trafo uji tersebut tidak sama dengan rangkaian ekivalen trafo pada umumnya. Hal ini akibat adanya kapasitansi sendiri Ci dari belitan tegangan tinggi yang paralel dengan kapasitansi objek uji Ca. Dengan demikian total kapasitansi pada sisi sekunder trafo uji ialah C = Ci + Ca dan besar impedansi hubung singkatnya adalah Rk + jLk. Dari diagram fasor pada Gambar 1.1.c, dapat disimpulkan bahwa besar tegangan sekunder trafo uji Us tidak sama dengan Up’. Up’ =

Us

U H nom U E nom

= Up ’

Up

1 1   Lk C 2

(1.7)

= Up’

1 1Uk

(1.8)

keterangan: Up = tegangan primer trafo (V) Up’ = tegangan pada sisi sekunder trafo dengan sisi primer sebagai referensi (kV) Us = tegangan sekunder trafo (kV) Uk = persentase tegangan hubung singkat trafo uji (%) Nilai Uk dapat dilihat pada name plate trafo uji. Karena nilai 1-Uk yang selalu lebih kecil dari 1, maka akan diperoleh peningkatan tegangan sekunder trafo uji atau Us  Up’, sehingga penentuan nilai Us tidak dapat dihitung langsung berdasarkan perbandingan rasio belitan trafo uji melainkan harus memperhitungkan juga besar Uk trafo tersebut.


Halaman - 4

NH NE

~U

U p’

Ci

Us

Ca

p

(a)

Rk Ī jLk Ī

Lk

Rk

Ī US

U p’

C

Up’

US

Ī (b)

(c)

Gambar 1.1 Rangkaian dasar trafo uji tegangan tinggi (a) Diagram rangkaian (b) Rangkaian ekivalen (c) Diagram fasor


Halaman - 5

PERCOBAAN - II FAKTOR EFISIENSI MEDAN LISTRIK PADA BEBERAPA BENTUK GEOMETRIS ELEKTRODA

2.1

DASAR TEORI Besar faktor efisiensi medan listrik (  ) pada berbagai konfigurasi

susunan elektroda dengan bentuk geometris tertentu dapat didefinisikan menurut Schwaiger sebagai berikut:

=

E rata rata E maksimum

(2.1)

atau

Eratarata =   Emaksimum

Emaksimum =

Ud s  m

(2.2) (2.3)

keterangan: = efisiensi medan listrik pada susunan elektroda  Eratarata = kuat medan listrik rata-rata (kV/cm)

Emaksimum = kuat medan listrik lokal tertinggi (kV/cm) Ud = tegangan tembus pada susunan elektroda (kV) s = jarak sela antar elektroda (cm)

m

= 1 kV/cm Pada susunan elektroda keping sejajar, distribusi medan listriknya

homogen sehingga besar

Emaksimum sama dengan Eratarata . Sebaliknya pada

distribusi medan listrik non homogen akan terdapat kuat medan listrik lokal pada daerah tertentu yang nilainya lebih besar dari kuat medan listrik rataratanya. Dengan demikian maka batas nilai faktor efisiensi medan listrik untuk


Halaman - 6

berbagai susunan elektroda dengan bentuk geometris tertentu memenuhi syarat:

≤1 Besar faktor efisiensi medan listrik bergantung pada bentuk geometris dari susunan elektroda, yaitu untuk susunan elektroda yang memberikan distribusi medan listrik homogen semisal susunan pelat datar sejajar maka

 =

1, sedangkan pada susunan elektroda yang menghasilkan distribusi medan listrik non homogen seperti jarum-piring, batang-bola, maka nilai

 < 1.

Selain mengacu pada persamaan 1, faktor efisiensi medan listrik dapat pula ditentukan secara empiris dengan menyatakan

 sebagai fungsi dari satu

atau dua besaran karakteristik geometris susunan elektroda p dan q. Berdasarkan pada buku faktor efisiensi geometri elektroda menurut Schwaiger halaman pertama, maka: p=

sr r

(2.4)

q=

R r

(2.5)

keterangan: s = jarak sela (cm) r, R = jari-jari elektroda (cm) dengan r < R Nilai dari

 fungsi p dan q tersebut untuk bermacam-macam susunan

elektroda nantinya dapat dilihat pada buku faktor efisiensi geometri elektroda menurut Schwaiger. Apabila besar efisiensi medan

 diketahui, maka kuat

medan listrik yang menyebabkan terjadi tembus pada dielektrik dalam sela elektroda dapat ditentukan yaitu:

U d = Ed  s 


Halaman - 7

Ed =

Ud s 

(2.6)

keterangan:

U d = tegangan tembus pada susunan elektroda (kV) E d = kuat medan listrik yang menyebabkan terjadi tembus (kV/cm)


Halaman - 8

PERCOBAAN - III TEMBUS PADA GAS

3.1

DASAR TEORI Berdasarkan teori yang terdapat pada hukum Paschen disimpulkan

bahwa besar tegangan tembus akan semakin meningkat ketika tekanan gas dinaikkan. Hal ini disebabkan karena tekanan gas yang semakin tinggi mengakibatkan semakin rapatnya molekul udara sehingga elektron untuk bergerak membutuhkan energi yang lebih besar. Pada percobaan, besarnya nilai tekanan gas (p) pada tabung uji dapat dihitung dengan menjumlahkan antara tekanan gas dalam ruangan dengan penambahan atau pengurangan tekanan gas dalam tabung uji. Maka perhitungannya sebagai berikut: p

= pa + pb

(3.1)

keterangan: p = tekanan gas dalam tabung uji (mbar) pa = tekanan gas pada ruangan saat percobaan (mbar) pb = tekanan gas yang terbaca pada tabung uji (mbar) Untuk menentukan nilai tekanan gas dan jarak sela (ps) yaitu pada percobaan ini jarak sela elektroda dibuat tetap untuk perubahan p b, maka dapat digunakan persamaan sebagai berikut:

ps =

ps 1000

(3.2)

keterangan: ps = perkalian tekanan gas dan jarak sela (barmm) p = tekanan gas dalam tabung uji (mbar) s = jarak sela (mm)


Halaman - 9

3.1.1 Mekanisme Townsend Mekanisme Townsend menjelaskan tentang fenomena tembus hanya pada tekanan rendah dan jarak sela yang kecil (ps ≤ 10 barmm) dengan medan homogen. Mekanisme Townsend menyatakan dua hal penting yang menjadi dasar teorinya yaitu proses primer (memungkinkan terjadinya banjiran elektron) dan proses sekunder (memungkinkan terjadinya peningkatan banjiran elektron). Percobaan Townsend ditunjukkan pada Gambar 3.1.

Sinar ultra violet ANODA

KATODA

d R Sumber tegangan Uvar

Resistor pembatas arus

A

Gambar 3.1 Rangkaian percobaan tembus Townsend

3.1.1.1 Proses Primer Proses primer merupakan proses ionisasi. Karena radiasi eksternal (sinar ultra violet) elektron akan dibebaskan dari katoda. Elektron ini akan dipercepat oleh medan listrik menuju anoda dengan suatu gaya sebesar eE, dan energi (W) yang diberikan adalah sebagai berikut:

W  eE x 

1 mv2 2


(3.3)

Halaman - 10

keterangan: W e E m v x

= = = = = =

energi (Joule) -19 muatan elektron (1,6  10 C) intensitas medan (kV/m) massa elektron (gram) kecepatan elektron (m/s) jarak pengarah elektron (m)

Dalam pergerakannya menuju anode, elektron tersebut akan menumbuk molekul gas dan menghasilkan ion-ion positif serta elektron-elektron bebas baru. Elektron bebas baru ini akan membentuk banjiran elektron primer yang bergerak ke anode sebagai arus listrik. 3.1.1.2 Proses Sekunder Bila elektron awal telah berhasil mencapai anode maka proses avalance tunggal telah selesai. Ion positif yang terbentuk pada proses primer akan bergerak menuju katode dan dipercepat oleh medan listrik. Ketika ion positif menumbuk katode maka elektron akan dibebaskan ke luar permukaan katode dan terjadi penambahan elektron yang akan membentuk banjiran muatan ruang yang lama-kelamaan menjembatani terjadinya kanal peluahan antara anodakatode pada sela elektroda, sehingga terjadi tembus total.

3.1.2

Kurva Paschen Pada Gambar 3.2 diperlihatkan kurva Paschen untuk udara dengan

konstanta A = 1,125370188 mm

-1

-1

mbar , konstanta B = 27,3840079 V mm

-1

mbar , dan  = 0,02. Kurva Paschen dibagi menjadi 3 daerah tembus yaitu -1

daerah I yang merupakan karakteristik tembus gas pada keadaan vakum. Pada kondisi awal diberikan tegangan tembus yang cukup tinggi untuk memicu terbentuknya elektron bebas sebagai pemicu terjadinya tegangan tembus pada gas.


Halaman - 11

Ud (kV) 1000

Daerah I Daerah II Daerah III

900 800 700 600 500 400 300

(ps min, Ud min)

200 100

ps (barmm)

0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

Gambar 3.2 Kurva Paschen untuk gas (Ud fungsi ps) Berikutnya daerah II merupakan daerah terjadinya tembus Townsend pada tekanan rendah dan jarak sela yang kecil (ps ≤ 10 barmm) dengan medan homogen. Untuk daerah III merupakan daerah terjadinya tembus Streamer pada tekanan tinggi dan jarak sela yang lebih besar dari daerah II. Pada kondisi ini (daerah III) molekul-molekul udara semakin padat dan menekan ke segala arah sehingga elektron bebas untuk dapat bergerak membutuhkan energi yang lebih tinggi. Hal ini menyebabkan nilai tegangan tembus U d semakin besar.


Halaman - 12

PERCOBAAN - IV DISTRIBUSI TEGANGAN TINGGI BOLAK-BALIK PADA ISOLATOR RANTAI

4.1

DASAR TEORI Pada saluran transmisi SUTT, kawat penghantar yang bertegangan tinggi

digantungkan pada isolator rantai. Untuk isolator rantai yang panjang, distribusi tegangan tinggi bolak-balik pada tiap-tiap isolator penyusunnya tidak merata. Hal ini disebabkan oleh adanya pengaruh dari: 1. Kapasitansi antara penghubung tiap-tiap isolator (C). 2. Kapasitansi antara penghubung isolator dengan tanah atau menara penghantar (Ce). 3. Kapasitansi antara penghubung isolator dengan kawat penghantar bertegangan tinggi (Ch). Isolator rantai yang dibebani dengan tegangan tinggi bolak-balik dapat dinyatakan dengan rangkaian pengganti seperti pada Gambar 4.1. Pada gambar tersebut, jumlah isolator yang digunakan ialah 5 buah isolator piring (suspension insulator), sehingga akan diperoleh 5 buah kapasitansi C, dan 4 buah kapasitansi masing-masing Ce dan Ch .


Halaman - 13

n=0

C Ce

X

Ch n=1

C Ch

Ce n=2

C

L

Ch

Ce n=3

C Ce

Ch n=4

C n=5 Tanah atau menara penghantar Kawat penghantar bertegangan tinggi

Gambar 4.1 Rangkaian pengganti isolator rantai dengan 5 buah isolator penyusun Dengan analisis rangkaian listrik dapat diperoleh distribusi tegangan pada isolator rantai: Ui(n) =

1 Ce  C h

 sinh Ka  sinh K (1  a)  Ce sinh K  C h 1  sinh K    

(4.1)

Besar Ui(n) dapat pula dicari secara praktek atau berdasarkan hasil percobaan, melalui persamaan pendekatan yaitu:


Halaman - 14

Ui(n) =

U  100% Un

(4.2)

dengan syarat batas, yaitu pada: n = 0, (X = 0),

Ui(n) = 0 atau Un = ~

n = 5, (X = L),

Ui(n) = 1 atau Un = U

a

=

K

=

X L

Ce  C h C

(4.3)

(4.4)

Besar distribusi tegangan tinggi bolak-balik pada tiap-tiap isolator piring ialah: ΔUn = Ui(n) – Ui(n-1)

(4.5)

keterangan: Un = tegangan pada jepitan ke-n isolator rantai (kV) Ui(n) = tegangan pada jepitan ke-n isolator rantai (%) U = tegangan pembebanan pada isolator rantai atau tegangan antara kawat penghantar tegangan tinggi dengan tanah (kV) ΔUn = distribusi tegangan tinggi bolak-balik pada isolator ke-n (%) Kurva Ui(n) fungsi a pada isolator rantai untuk nilai kapasitansi C e dan Ch yang berbeda-beda ditunjukkan pada gambar 4.2.


Halaman - 15

Ui(n)

1

0

1

a

Ce > C h Ce = C h Ce = Ch = 0 Ce < C h

Gambar 4.2 Kurva Uin fungsi a pada isolator rantai


Halaman - 16

PERCOBAAN - V PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI SEARAH DAN EFEK POLARITAS

5.1

DASAR TEORI Untuk membangkitkan tegangan tinggi searah dalam laboratorium

umumnya menggunakan komponen penyearah yang terdiri atas sejumlah dioda semikonduktor yang terpasang seri. Prinsip dasar pembangkitan tegangan tinggi

searah

yaitu

membangkitkan

tegangan

tinggi

bolak-balik

yang

keluarannya dihubungkan dengan rangkaian penyearah setengah gelombang (menggunakan dioda tegangan tinggi).

5.1.1 Pembangkitan Tegangan Tinggi Searah Pembangkitan

tegangan

tinggi

searah

yang

paling

sederhana

diperlihatkan pada Gambar 5.1.a. Sebuah transformator uji tegangan tinggi dihubungkan dengan beban R melalui sebuah dioda penyearah ideal V. Tegangan sekunder trafo yang berbentuk sinusoida dengan nilai puncak Û akan disearahkan terlebih dahulu oleh dioda tegangan tinggi yang memiliki resistansi maju dan arus reverse sama dengan nol (karakteristik ideal). Bentuk keluaran gelombang tegangan yang telah disearahkan dapat dilihat pada Gambar 5.1.b dan 5.1.c. Terlihat pada Gambar 5.1.c, dengan memasang paralel kapasitor C dengan beban akan didapatkan gelombang tegangan yang rata dalam keadaan mantap dibanding tanpa kapasitor. Jadi fungsi kapasitor C ialah sebagai filter atau perata bentuk gelombang tegangan keluaran dari dioda. Untuk Gambar 5.1.c, tegangan searah pada beban u(t) akan mengandung tegangan cacat atau ripel tegangan, sehingga berlaku persamaan: Ū≈Û-



U


(5.1)

Halaman - 17

Semakin rata gelombang tegangan beban, maka besar ripel tegangan akan semakin kecil dan periode konduksi dioda tv akan menjadi lebih singkat. Besar tegangan balik yang harus ditahan oleh dioda ialah: ÛV ≈ 2ÛT Dengan melihat kembali Gambar 5.1.c, maka besar ripel tegangan dapat dicari yaitu: untuk tv << T =

1 dan  U<<Ū, perubahan muatan pada kapasitor perata f

selama periode padam: 2  UC ≈

T

i

g

dt = T Īg

0



U = Īg

1 2 fC

(5.2)

Gambar 5.1 Rangkaian pembangkitan tegangan tinggi searah dengan metode penyearah setengah gelombang (a) Rangkaian pengganti; (b) Bentuk gelombang tegangan beban tanpa kapasitor perata C (c) Bentuk gelombang tegangan beban dengan kapasitor perata C


Halaman - 18

5.1.2 Pengukuran Tegangan Tinggi Searah Untuk melakukan pengukuran tegangan tinggi searah, salah satu metode yang digunakan ialah dengan bantuan tahanan atau resistor tegangan tinggi yang mempunyai harga tahanan sangat besar seperti yang terlihat pada Gambar 5.2.

R1 u(t) R2

DGM

Gambar 5.2 Pengukuran tegangan tinggi searah dengan suatu resistor seri atau pembagi resistif

Tahanan R2 ialah resistor yang berfungsi sebagai pembagi tegangan resistif yang diseri dengan R1 dan diparalel dengan alat ukur tegangan tinggi searah DGM. Besar tegangan yang diukur DGM ialah nilai rata-rata tegangan searah Ū. Cara lain untuk pengukuran tegangan tinggi searah adalah dengan menggunakan meter-volt elektrostatik dan sela bola.

5.1.3 Korona Listrik Korona merupakan suatu gejala tembus parsial atau sebagian yang diakibatkan oleh adanya kuat medan listrik yang sangat tinggi di dalam daerah sela elektroda. Pada kondisi distribusi medan listrik yang tidak seragam seperti pada susunan elektroda jarum-piring, batang-piring, maka akan terjadi


Halaman - 19

pelepasan muatan listrik dari permukaan ujung elektroda yang memiliki radius kecil akibat medan listrik yang sangat besar di daerah sekitar ujung elektroda tersebut. Dengan adanya kuat medan listrik lokal yang tinggi tersebut, maka proses ionisasi di udara akan terjadi akibat tumbukan elektron-elektron bebas yang dipercepat oleh medan listrik tersebut dan otomatis menambah jumlah muatan ruang di dalam sela elektroda. Proses ini dinamakan avalance, yang terjadi berulang kali sehingga timbul elektron-elektron dan ion positif dalam jumlah besar disekitar daerah ujung elektroda tersebut yang akhirnya menyebabkan terjadinya tembus parsial atau korona. Penampilan visual korona dapat diamati berupa penampakan sinar korona yang tergantung pada polaritas elektroda koronanya dan timbulnya suara desisan. Korona positif biasanya menampakkan cahaya yang seragam pada permukaan elektrodanya, sedangkan korona negatif tampak seperti nodanoda terang pada tempat tertentu. Korona dipengaruhi oleh beberapa kondisi yaitu tekanan udara, bahan elektroda, adanya uap air di udara, fotoionisasi dan tipe tegangan tinggi yang diterapkan.

5.1.4 Efek Polaritas Pada medan listrik sangat tidak homogen seperti pada susunan elektroda jarum-piring, di depan elektroda tajam terjadi ionisasi tumbukan di udara setelah tegangan anjaknya (inception voltage) terlewati. Elektron-elektron karena mobilitasnya yang tinggi akan secara cepat meninggalkan daerah ionisasi, sedang ion-ion positif yang bergerak lamban akan membentuk muatan ruang positif di depan elektroda tajam, sehingga distribusi medan listriknya berubah. Dengan demikian maka tergantung pada jarak sela, tegangan tembus listrik pada elektroda jarum positif akan lebih rendah dibanding dengan jarum negatif.


Halaman - 20

Pada jarum negatif, elektron-elektron bergerak menuju elektroda piring atau pelat. Ion-ion positif yang tertinggal akan menyebabkan penaikan kuat medan listrik sangat tinggi tepat pada ujung jarum, sedangkan pada daerah ruang medan listrik lainnya hanya memiliki kuat medan listrik yang lebih kecil. Dengan demikian pengembangan kanal peluahan muatan listrik ke arah elektroda pelat akan semakin lama. Pada jarum positif, elektron-elektron bergerak menuju elektroda jarum. Ion-ion positif yang tertinggal akan memperkecil besar kuat medan listrik di ujung jarum. Dengan demikian maka kuat medan listrik ke arah elektroda pelat akan meninggi sehingga memudahkan dan mempercepat pengembangan kanal peluahan muatan listrik. Untuk selengkapnya, efek polaritas dapat dilihat pada Gambar 5.3.


Halaman - 21

PERCOBAAN - VI PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI IMPULS

6.1

DASAR TEORI Dalam keadaan kerja, peralatan-peralatan elektrik selain mampu dibebani

tegangan kerjanya, juga harus memiliki ketahanan terhadap pembebanan tegangan tinggi impuls akibat sambaran petir maupun akibat proses pengoperasian saklar daya. Penguasaan cara pembangkitan tegangan tinggi impuls diperlukan agar dapat dihasilkan bentuk gelombang tegangan yang mendekati kejadian pembebanan transien yang terjadi di jaringan dan agar dapat dilakukan penelitian dasar tentang tembus elektrik.

6.1.1 Definisi Tegangan Tinggi Impuls Di dalam teknik tegangan tinggi, pengertian tegangan tinggi impuls adalah tegangan impuls dengan suatu polaritas tertentu dan bentuk serta lamanya ditentukan oleh cara pembangkitannya. Tegangan impuls diperlukan dalam pengujian tegangan tinggi untuk mensimulasi terpaan akibat tegangan lebih dalam dan luar serta untuk meneliti mekanisme tembus. Umumnya tegangan tinggi impuls dibangkitkan dengan meluahkan muatan kapasitor tegangan tinggi (melalui sela percik bola) pada suatu rangkaian resistor dan kapasitor. Nilai puncak dari tegangan tinggi impuls dapat ditentukan dengan bantuan sela ukur atau dengan rangkaian elektronik yang dikombinasikan dengan pembagi tegangan. Alat ukur tegangan impuls yang terpenting adalah osiloskop sinar katoda yang memungkinkan penentuan nilainilai sesaat melalui pembagi tegangan.


Halaman - 22

6.1.2 Bentuk Tegangan Tinggi Impuls Bentuk umum tegangan tinggi impuls yang dipakai pada laboratorium adalah tegangan yang naik dengan waktu yang sangat singkat sekali disusul dengan penurunan tegangan yang sangat lambat menuju ke nol, yaitu dapat dinyatakan dengan persamaan:

V  V0 (e at  ebt )

(6.1)

Bentuk tegangan semacam ini mudah dibuat, yaitu dengan menetapkan konstanta a dan b, sedangkan nilai maksimumnya disebut sebagai nilai puncak tegangan impuls. Contoh-contoh berbagai bentuk tegangan impuls ialah seperti gambar di bawah ini: puncak punggung

0,9 Û

Td

dahi

Û

Û

Û

t

t

t Td

(a)

(b)

(c)

Gambar 6.1 Bentuk gelombang tegangan tinggi impuls (a) Tegangan impuls persegi (b) Tegangan impuls terpotong (taji) (c) Tegangan impuls eksponensial ganda Tegangan impuls persegi mengalami waktu muka yang sangat singkat dan menjadi konstan setelah mencapai puncak sesaat sebelum terjadi tembus. Sedangkan tegangan impuls terpotong adalah tegangan impuls yang tiba-tiba menjadi nol pada saat mencapai puncak atau sewaktu di dahi atau di punggung. Tegangan impuls eksponensial ganda digunakan untuk peniruan


Halaman - 23

tegangan surja petir dan tegangan surja hubung. Perbedaannya ditentukan pada lama waktu dahi dan waktu punggung.

6.1.3 Parameter Tegangan Tinggi Impuls Petir Untuk keperluan pengujian di laboratorium, maka tegangan tinggi impuls yang dipilih ialah tegangan impuls eksponensial ganda jenis impuls petir dengan karakteristik 1,2/50 μs yang berarti besar waktu dahi

Ts = 1,2 μs dan

waktu paruh punggung Tr = 50 μs seperti ditunjukkan pada Gambar 6.2. Muka gelombang impuls petir didefinisikan sebagai bagian dari gelombang yang dimulai dari titik nol hingga mencapai titik puncak, sedangkan sisanya adalah ekor gelombang. Setengah puncak gelombang adalah titik-titik pada muka dan ekor yaitu besar tegangannya adalah setengah dari nilai puncak (0,5Û). Parameter-parameter

tegangan tinggi

impuls

petir

untuk

standar

pengujian dapat dilihat pada Gambar 6.2 berikut ini.

S punggung

0,9 Û

B u(t)

dahi Û

C

0,5 Û 0,3 Û A 0

t Ts

Tr

Gambar 6.2 Parameter tegangan tinggi impuls petir standar untuk pengujian di laboratorium


Halaman - 24

Waktu muka (Ts) ialah waktu yang terjadi pada muka gelombang dimulai dari titik perpotongan sumbu waktu t dengan garis lurus yang dibentuk dari titik 0,3Û (A), 0,9Û (B) dan S hingga mencapai titik potong sumbu waktu t dengan garis vertikal dari titik S. Sedangkan waktu paruh punggung (T r) adalah waktu yang dibutuhkan mulai dari titik nol hingga mencapai setengah dari nilai puncak tegangan 0,5Û (titik C) pada ekor gelombang.

F

U0 (t=0)

Rd

Cs

Re

Ie Cb

u(t)

(a) Rd

F

U0 (t=0)

Cs

Re

Ie Cb

u(t)

(b) Gambar 6.3 Diagram rangkaian dasar pembangkit tegangan tinggi impuls (a) angkaian a, (b) Rangkaian b 6.1.4 Pembangkitan Tegangan Tinggi Impuls Rangkaian dasar pembangkitan tegangan impuls petir dan impuls hubung untuk

pengujian

adalah

sama,

hanya

berbeda

besar

elemen-elemen

rangkaiannya. Rangkaian dasar yang biasa digunakan ialah rangkaian kapasitif yaitu rangkaian a dan rangkaian b seperti yang diperlihatkan pada Gambar 6.3.


Halaman - 25

Prinsip kerja rangkaian di atas yaitu kapasitor pemuatan C s dimuati dengan tegangan tinggi searah U0. Dengan penyalaan sela percik bola F, terjadi peluahan muatan untuk mengisi kapasitor beban C b dan tahanan peluahan Re. Tegangan tinggi impuls u(t) diperoleh pada terminal kapasitor beban Cb. Jika diinginkan waktu dahi Ts yang singkat, maka peluahan muatan yang mengisi kapasitor beban Cb harus secepat mungkin untuk mencapai tegangan puncak Û, sedangkan waktu punggung T r yang lama ditentukan oleh tahanan peluahan Re yang jauh lebih besar dibandingkan tahanan peredam Rd. 6.1.5 Pengukuran Tegangan Tinggi Impuls Pengukuran tegangan tinggi impuls dapat dilakukan dengan dengan sela percik bola, karena kejadian tembus elektrik sela udara terjadi beberapa mikrodetik setelah dicapai tegangan tembus statis. Dengan demikian sela percik bola dapat digunakan untuk pengukuran tegangan puncak impuls yang tidak terlalu cepat dan untuk konstanta waktu muka T 2 ≥ 50 μs. Hal ini berlaku, dengan anggapan bahwa di dalam ruang antara sela bola tersedia pembawa muatan yang cukup, yaitu tembus elektrik akan langsung terjadi jika telah dicapai tinggi kuat medan tertentu. Alat ukur voltmeter tipe DSTM digunakan untuk menampilkan nilai puncak tegangan impuls pada pengukuran. 6.1.6 Penentuan Ts dan Tr untuk Tegangan Impuls Petir secara teori Pada percobaan ini, rangkaian dasar yang digunakan ialah rangkaian b. Lama waktu muka dan waktu paruh punggung ditentukan oleh besar kecilnya resistor peluahan Re dan resistor redaman Rd. Dengan pendekatan ReCs >> RdCb, dihasilkan persamaan untuk rangkaian b yaitu: T1

 Re (C s  Cb )


(6.2)

Halaman - 26

T2

 Rd

C s Cb C s  Cb

(6.3)

T s = k 2T 2

(6.4)

T r = k 1T 1

(6.5)

dengan k1 = 0,73 dan k2 = 2,96

CS C S  Cb



(6.6)

Dari persamaan-persamaan diatas, waktu muka T s berbanding lurus dengan Rd. Jadi semakin kecil Rd, maka waktu muka akan semakin singkat dan begitu pula sebaliknya. Sedangkan waktu paruh punggung T r berbanding lurus dengan Re. Semakin besar Re, waktu paruh punggung akan semakin lama dan begitu pula sebaliknya. Besar  medan pada rangkaian b berdasarkan hasil percobaan ialah didekati dengan rumus pendekatan sebagai berikut:



U DSTM U DGM

(6.7)

keterangan: UDSTM = Nilai puncak tegangan impuls yang terbaca pada alat ukur DSTM (kV) UDGM

= Nilai tegangan searah pada alat ukur DGM (kV)


Halaman - 27

PERCOBAAN - I PEMBANGKITAN DAN PENGUKURAN TEGANGAN TINGGI BOLAK-BALIK

Recommend Documents