MAKALAH TEKNIK TEGANGAN TINGGI PEMBANGKIT DAN PENGUKURAN TEGANGAN TINGGI BOLAK-BALIK
Disusun oleh : Nama
: Aditya Kevin A.P.
NIM
: 121 041 021
Jurusan
: T.Elektro
INSTITUT SAINS & TEKNOLOGI AKPRIND YOGYAKARTA 2014
0
KATA PENGANTAR Assalamualaikum Wr.Wb. Puji syukur kami panjatkan ke hadirat Allah SWT karena berkat Rahmat dan Karunia-Nya yang begitu besar, kami dapat menyelesaikan makalah ini dengan harapan dapat bermanfaat dalam menambah ilmu dan wawasan kita terhadap kehidupan sosial manusia terutama dalam hubungannya antara moralitas dan kesadaran hukum manusia. Sebagai manusia biasa, kami sadar bahwa dalam pembuatan makalah ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu kami berharap akan adanya masukan yang membangun sehingga makalah ini dapat bermanfaat baik bagi diri sendiri maupun pengguna makalah ini. Akhirulkalam kami mengucapkan semoga Allah SWT membimbing kita semua dalam naungan kasih dan sayang-Nya. Wassalamualaikum Wr.Wb.
yogyakarta, 18 APRIL 2014
1
Teori Dasar Pembangkit Tegangan Tinggi Bolak-balik Sumber tegangan tinggi utama yang diperlukan dalam suatu laboratorium adalah sumber tegangan tinggi arus bolak-balik. Sumber tegangan ini dapat diubah menjadi sumber tegangan tinggi arus searah, sumber tegangan tinggi impulse dan sumber tegangan tinggi bolak-balik dengan frekuensi tinggi. Pembangkit tegangan tinggi AC di laboratorium adalah transformator tegangan tinggi,alat ini terdiri dari tiga gulungan yang masing-masing disebut lilitan eksitasi atau pembangkit, lilitan kopling dan lilitan tegangan tinggi. Susunan dari ketiga gulungan tersebut dapat dilihat pada rangkaian penggantinya yaitu pada gambar 1.1. Parameter pada gulungan eksitasi adalah IE, Z Edan NE , untuk gulungan kopling IK, ZKdan NK,sedangkan gulungan tegangan tinggi IH, ZHdan NH, yang masing-masing menyatakan arus, impendasi dan jumlah lilitan. Trafo pembangkit tegangan tinggi Trafo yang dipakai untuk membangkitkan tegangan tinggi sering disebut trafo uji. Trafo ini mempunyai ciri-ciri sebagai berikut : Perbandingan jumlah lilitanya lebih besar dari pada trafo daya. Hal ini sebabkan trafo uji yang dipasang pada laboraturium tegangan yang diterapkan dengan tegangan input 127 volt sampai 220 volt sedangkan output yang harus dihasilkan adalah besarnya sampai beberapa ratus ribu volt. Kapasitas KVA-nya lebih kecil dibanding dengan trafo daya, karena untuk keperluan lompatan api tidak perlu daya yang besar melainkan tegangan yang besar.Trafo yang dipakai biasanya satu phasa, kecuali pada pengujian khusus yang memerlukan trafo tiga phasa. Satu ujung lilitannya biasanya ditanam dalam tanah untuk keperluan keamanan dan pengamanan terhadap manusia dan alat ujinya. Pada waktu merencanakan isolasi untuk trafo penguji hanya diperhitungkan isolasinya tahan terhadap tegangan penguji yang maksimum.
2
Gambar 1.1. Rangkaian Ekivalen Trafo Tegangan Tinggi Bila rugi-rugi magnetisasi tidak ada maka gaya gerak magnet adalah berjumlah nol.Sehingga:
Untuk mendapatkan tegangan yang lebih tinggi lagi dilakukan penggabungan beberapa trafo yang disebut kaskade bertingkat.
Pada susunan bertingkat ini, eksistansi pada trafo
berikutnya diparalel dengan rangkaian kopling. Gambar 1.2 menunjukkan rangkaian kaskade bertingkat dari beberapa trafo.
(a) Rangkaian Pengganti
(b) Rangkaian yang disederhanakan Gambar 1.2. Susunan Bertingkat Trafo
3
Gambar 1.2b adalah rangkaian yang disederhanakan bila dilihat dari sisi tegangan tinggi. Untuk tingkat ke-n dan rugi-rugi daya diabaikan, maka rugi-rugi daya reaktif adalah;
Untuk tiga tingkat, harga reaktansi bocor total adalah;
Keadaan kerja dari trafo tegangan tinggi yang sesungguhnya mempunyai rugi-rugi daya,baik daya aktif maupun daya reaktif yang masing-masing diwakili oleh resistansi dan induktansi. Di samping itu, terdapat pula medan-medan listrik pada belitan terhadap tanah yang diwakili oleh kapsitansi denga notasi Cl. Kapasitansi terdapat pula pada sisi beban dengan notasi Cb. Jadi, rangkaian pengganti yang tidak diabaikan besaran-besaran itu adalah pada gambar 1.3a.
(a) Rangkaian Pengganti
4
(b) Diagram Phasor Gambar 1.3.Rangkaian pengganti dan Diagram Phasor Bila harga resistansi Rrjauh lebih kecil dari harga reaktansi Lr, maka tegangan diaiai sekunder adalah;
dimana 1-
LrC<1, sehingga V2>V1.
Masalah lain yang dihadapi adalah bagaimana menentukan besar tegangan tinggi,karena alat ukur tegangan yang ada adalah berfungsi untuk tegangan rendah atau dengan kata lain alat ukur yang mengukur tegangan tinggi secara langsung belum ada.Para ahli yang terdahulu telah membuat metoda pengukuran tegangan tinggi yang cukup teliti. Adapun metoda itu adalah sela-bola, Cubb-Fortesque dan pembagian tegangan oleh kapasitor. 1. Sela-Bola Dengan menggunakan elektroda-elektroda yang permukaannya berbentuk bola dengan diameter d, kedua elektroda ini dipisahkan sejauh s, bila kedua permukaan bola diberi beda tegangan maka untuk teganagan tertentu terjadi tembus tegangan puncak dari tegangan AC yang diterapkan. Gambar 1.4a adalah menunjukkan susunan dan kurva uji dari sela bola. Dan gambar 1.4b adalah kurva tegangan tembus yang bervariasi terhadap d dan s, terlihat untuk harga s yang sama besar tegangan tembus akan lebih tinggi pada harga d yang besar. 5
(a) Susunan Sela-Bola
(b) Kurva Tegangan Tembus fungsi s dan d Gambar 1.4. Susunan dankurva tegangan tembus sela-bola
1. Cubb-Fortesque Pada tahun 1913 Cubb dan Fortesque membuat metoda pengukuran tegangan tinggi AC dengan menggunakan kapasitor dan mengukur besar arus rata-rata untuk setengah perioda dengan merangkai dua dioda yang anti-paralel.Susunan percobaannya seperti gambar 1.5. Dengan menentukan geometri dan kondisi lingkungan maka besar tegangan puncak AC saat terjadi tembus tegangan pada sela bola dapat ditentukan.
6
Keterangan Vt = adalah tegangan puncak pada suhu t b adalah tekanan udara (mbar) Vo = adalah tegangan puncak pada suhu 20°C t adalah temperatur (°C) Besarnya arus yang mengalir pada alat ukur amperemeter adalah setengah perioda adalah:
Harga rata-rata dari arus yang lewat alat ukur amperemeter adalah;
7
Jadi tegangan maksimum adalah:
Keterangan Vm: tegangan maksimum AC yang diukur I : arus rata-rata yang dibaca pada alat ukur f : frekuensi tegangan AC yang diukur C : kapasitansi
8
(a) Rangkaian Percobaan
(b) Gelombang arus-tegangan
Gambar 1.5. Rangkaian dan gelombang percobaan Cubb-Fortesque
2. Dengan Kapasitor Gambar 1.6 adalah susunan percobaan pengukuran tegangan tinggi dengan metoda pada kapasitor.
(a) Susunan Percobaan
(b) Gelombang Tegangan
Gambar 1.6. Rangkaian dan gelombang tegangan pada metoda pembagian tegangan dengan kapasitor
9
Untuk muatan pada kapasitor Cm tidak terjadi kekurangan muatan, maka harga RmCm>>T.dan dipilih harga resistansi Rl >>(1/ωC2), sehingga tegangan terbagi pada kapasitor C1 dan C2 yang harga puncak dari tegangan tinggi yang diukur dapat dinyatakan pada persamaan 1.9.
ELEKTRODA BOLA Umum Pengukuran tegangan tinggi dengan elektroda bola pada kenyataannya dipengaruhi beberapa hal, salah satunya adalah keadaan udara. Dalam prakteknya, keadaan udara saat pengujian tidak selalu sama dengan keadaan standar. Oleh karena itu hasil pengukuran pada keadaan udara sembarang adalah sebagai berikut :
dimana : ^V = Tegangan sela bola pada saat pengujian (keadaan udara sembarang) ^Vs = Tegangan tembus sela bola standar δ = faktor koreksi udara
10
Faktor koreksi udara tergantung kepada suhu dan tekanan udara, besarnya adalah sebagai berikut :
dimana: θ = temperatur udara (Cº) p = tekanan udara (mmHg) Sebenarnya kelembapan udara juga mempengaruhi tegangan tembus sela bola. Jika hal ini diperhitungkan maka tegangan tembus elektroda bola menjadi sebagai berikut :
Dimana kh adalah faktor koreksi yang tergantung pada kelembapan udara.Elektroda bola standar dibuat dengan dua bola logam yang memiliki diameter D yang identik dan memiliki kaki penopang, alat pengoperasian, dan isolator pendukung. Elektroda tersebut biasanya terbuat dari tembaga, kuningan, atau aluminium yang belakangan ini banyak digunakan karena biayanya lebih murah. Diameter standar untuk elektroda bola-bola tersebut yang adalah 2,5,10,12,15,25,50,75,100,150, dan 200cm. Jarak-jarak itu dirancang dan dipilih seperti itu agar flashover terjadi di dekat titik percik. Elektroda-elektroda itu dirancang dan diproduksi dengan hati-hati sehingga permukaannya lembut dan memiliki kelengkungan yang seragam/sama. Jari-jari kelengkungan diukur dengan sebuah spherometer di titik-titik yang bervariasi pada area yang ditutup oleh sebuah lingkaran 0,3D mengelilingi titik percik tidak boleh berbeda lebih ± 2% dari nilai nominal. Permukaan bola harus bersih dari debu, minyak, atau pelapis lainnya. Permukaan elektroda harus dipertahankan tetap bersih tetapi tidak perlu dipoles. Jika ada lubang yang terjadi akibat tembus listrik yang berulang-ulang maka elektroda harus dibersihkan.
11
Untuk memperoleh ketelitian yang tinggi, hal-hal ini diperhatikan : 1. Jarak sela s< D 2. Jarak sela > 5 % jari-jari elektroda 3. Permukaan elektroda tidak boleh berdebu 4. Elektroda harus licin ( jangan dibersihkan dengan pembersih yang kasar) 5. Jarak benda disekitar elektroda >(0,25+ V/300)m. 6. Untuk mencegah osilasi saat percikan , sebuah resistor yang tahanannya > 500 ohm diserikan degan elektroda bola. Konduktor tegangan tinggi juga dirancang sehingga tidak mempengaruhi konfigurasi medan listrik. Sebuah tahanan seri biasanya dihubungkan di antara sumber listrik dan elektroda bola untuk membatasi arus yang terjadi akibat tegangan tembus dan juga memperkecil osilasi yang tidak diinginkan pada sumber tegangan listrik ketika terjadi tegangan tembus (pada kasus tegangan impuls). Nilai resistansi seri bervariasi mulai dari 100 sampai 1000 Ω k untuk ac dan tidak lebih dari 500 Ω pada kasus tegangan impuls. Pada kasus pengukuran tegangan puncak ac dan tegangan dc, tegangan yang diberikan dinaikkan secara teratur sampai terjadi tembus listrik pada sela bola. Pengukuran Tegangan Tinggi Dengan Elektroda Bola Standar Elektroda bola standar digunakan untuk mengukur tegangan tinggi bolak-balik, tegangan tinggi searah, dan tegangan tinggi impuls. Diameter elektroda bola terdiri atas beberapa ukuran standar, antara lain: 2 cm, 10 cm, 50 cm, bahkan ada yang berukuran sampai 200 cm. Pada keadaan udara standar, yaitu temperatur udara ,200C tekanan udara 760 mmHg, dan kelembapan mutlak 11gr/
tegangan tembus sela bola standar untuk berbagai jarak sela
bola adalah tetap. Pada umumnya sela bola lebih sering digunakan untuk pengukuran tegangan tinggi daripada sela dengan medan yang homogen maupun sela batang. Pada beberapa kasus tertentu sela dengan medan yang homogen dan sela batang juga digunakan, namun ketelitiannya kurang. Tegangan tembus sela bola khususnya, tidak tergantung pada bentuk gelombang tegangan tinggi dan oleh sebab itu sangat cocok untuk semua jenis bentuk
12
gelombang dari tegangan dc sampai impuls untuk kenaikan waktu yang singkat ( kenaikan waktu ≥ 0,5 µs ). Sela bola juga dapat digunakan untuk pengukuran tegangan puncak ac pada frekuensi radio (di atas 1 MHz). Sela bola dibuat dari dua buah bola logam yang identik dengan diameter D dan memiliki alat untuk mengoperasikan dan isolator pendukung. Sela bola dapat disusun (1) secara horizontal dengan kedua sela bola dihubungkan pada sumber tegangan atau salah satunya dibumikan atau (2) secara vertical dengan sela bola yang lebih rendah atau letaknya di bawah dibumikan. Pengukuran Dengan Susunan Elektroda Bola Secara Horizontal Pada pengukuran dengan susunan elektroda bola secara horizontal, biasanya disusun dengan kedua bola simetris pada tegangan tinggi di atas permukaan tanah. Kedua bola yang digunakan harus memiliki bentuk dan ukuran yang identik. Bentuk susunan elektroda bola secara horizontal dapat ditunjukkan pada gambar Susunan horisontal digunakan untuk diameter D < 50 cm dengan rentang tegangan yang lebih rendah sedangkan untuk diameter yang lebih besar digunakan susunan vertikal yang mengukur besar tegangan terhadap bumi. Tegangan yang akan diukur dilewatkan antara kedua sela bola dan jarak atau sela S diantara kedua bola tersebut memberikan suatu ukuran dari besarnya tegangan tembus. Pada kasus nilai tegangan puncak ac dan pengukuran tegangan dc, tegangan yang dipakai secara keseluruhan dinaikkan sampai terjadi tembus listrik pada sela bola.
Gambar Susunan Elektroda Bola Secara Horisontal
13
Pengukuran Dengan Susunan Elektroda Bola Secara Vertikal Susunan elektroda bola secara vertikal lebih sering digunakan pada pengukuran tegangan tinggi. Berbeda dengan elektroda yang disusun secara horizontal yang lebih sering digunakan pada pengukuran tegangan yang relative lebih rendah. Bentuk susunan elektroda bola secara vertikal dapat dilihat pada gambar Isolasi yang menopang bola di bagian atas harus berjarak kurang dari 0,5 D dengan D adalah diameter. Elektroda bola itu disokong oleh sebuah kaki logam yang bersifat konduktif yang tidak lebih dari 0,2 D dan paling sedikit sebesar D( sehingga titik percik sekurang-kurangnya berjarak 2 D dari ujung yang lebih rendah isolator bagian atas). Tegangan tinggi harus tidak boleh lewat dekat dengan elektroda yang ada di atas. Idealnya tegangan tersebut harus dialirkan dari kaki elektroda menjauh melalui sebuah bidang datar yang tegak lurus dengan kaki paling tidak 1 D dari elektroda. Elektroda yang terletak di bawah harus berjarak paling sedikit 1,5 D di atas permukaan tanah.
Gambar Susunan Elektroda Bola Secara Vertikal Pengaruh Objek Sekitar Terhadap Pengukuran Elektroda Bola-Bola Ada beberapa faktor yang mempengaruhi tegangan tembus pada pengukuran dengan elektroda bola diantaranya adalah: (1) objek di sekitar elektroda bola, (2) kondisi dan kelembapan udara, (3) penyinaran dengan ultra-violet atau sinar x, 14
(4) polaritas dan kenaikan waktu gelombang tegangan. Tugas Akhir ini membahas bagaimana pengaruh keberadaan objek-objek di sekitar elektroda bola terhadap pengukuran tegangan tinggi dengan menggunakan elektroda bola-bola. Pengaruh jarak objek sekitar terhadap elektroda bola diperlihatkan pada gambar
Gambar Objek disekitar elektroda bola Jika objek sekitar diletakkan pada jarak tertentu dengan elektroda bola maka akan terbentuk kapasitansi antara elektroda bola dengan objek yang ada di sekitar seperti pada plat sejajar seperti pada gambar
Gambar Kapasitansi antara elektroda bola dengan objek sekitar Besar kapasitansi yang terbentuk adalah:
15
Dimana : A = luas permukaan bola ε = permitivitas hampa udara 8.825 x 10.12 d = jarak bola dengan objek sekitar. C= kapasitansi Kapasitansi yang terbentuk antara objek sekitar dengan elektroda bola mempengaruhi tegangan tembus pada selabola. Yang disebabkan oleh medan .listrik dari elektroda bola ke objek sekitar. Jika jarak elektroda bola dengan objek sekitar semakin besar maka kapasitansi yang terbentuk antara elektroda dengan objek semakin kecil, maka arus bocor yang terbentuk antara elektroda bola ke objek juga semakin kecil. Distribusi Medan Listrik dari Elektroda Bola ke Objek Sekitar Ukuran terpaan elektrik pada suatu dielektrik ialah kuat medan elektrik yang sangat penting untuk ditentukan dalam teknologi tegangan tinggi. Yang dimaksudkan dengan ketahanan elektrik dari suatu bahan isolasi ialah nilai kuat medan yang masih diijinkan pada kondisikondisi tertentu seperti misalnya jenis tegangan, tempo penerpaan, suhu atau kelengkungan elektroda. Batas ketahanan elektrik medium isolasi akan tercapai jika nilai kuat medan tembus bahan tersebut telah terlampaui pada sembarang titik. Karena itu maka penentuan kuat medan maksimum memiliki arti yang sangat penting.Lintasan garis-garis medan elektrik ditentukan oleh arah kuat medan elektrik E. Garis-garis medan tersebut ortogonal terhadap garis-garis ekipotensial pada setiap titik dan tegak lurus pula terhadap permukaan elektroda. Jika pada bidang batas antara dua dielektrik tidak terdapat muatan-muatan permukaan maka komponen normal kuat medan berbanding terbalik dengan konstanta dielektrik bahan isolasi. Di sisi lain komponen tangensial dari kuat medan elektrik bernilai kontinu di sepanjang bidang batas
16
GambarContoh untuk medan dua dimensi dengan garis medan dan garis ekuipotensial Daerah yang dicakup oleh garis-garis medan yang berdekatan (lihat gambar) memiliki fluksi elektrik yang sama sebesar ∆ Q = bl lurus terhadap bidang dan
E dengan l adalah panjang konfigurasi yang tegak
adalah konstanta dielektrik dari medium dielektrik. Jika
perbedaan potensial (yang konstan) antara dua garis ekipotensial yang berdekatan diganti dengan E ( ingat aE =∆ϕ ) maka diperoleh kondisi berikut:
Konstanta dapat dipilih sembarang. Dalam contoh yang diberikan, diandaikan b/a = 1. Dengan menyatakan jarak antara dua garis ekipotensial yang berdekatan pada sembarang titik adalah a, maka kuat medan elektrik pada titik tersebut adalah:
Jika m adalah jumlah garis ekipotensial yang digambarkan(tidak termasuk permukaan elektroda), maka tegangan total yang diterapkan adalah: 17
Jika garis medan yang digambarkan antara elektroda-elektroda ialah n, maka fluksi elektrik total dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:
Dengan substitusi yang sesuai maka diperoleh kapasitansi konfigurasi sebagai berikut:
Distribusi Tegangan akibat Pengaruh Jarak Objek Sekitar terhadap Elektroda Bola Pengaruh objek di sekitar elektroda bola dapat diumpamakan dengan memasukkan elektroda bola ke dalam silinder yang mempunyai diameter B. Diamati bahwa terjadi penurunan tegangan tembus . Penurunan itu sebesar
Dimana : ∆V = penurunan persentase, B = diameter silinder , D = diameter bola, S = jarak sela bola, m dan C adalah konstanta Penurunan ini kurang dari 2% untuk S/D ≤ 0,5 danB/D ≥ 0.8. Bahkan untuk S/D ≈ 1,0 dan B/D ≥ 1.0 pengurangan itu hanya 3%. Oleh karena itulah, jika spesifikasi tentang kelonggaran erat diamati kesalahannya dalam toleransi dan akurasi ditetapkan.
18
Daftar Pustaka Hermagasantos. Ir. Msc, 1994. “Teknik Tegangan Tinggi ”, Jakarta : PT. Rosda jaya Putra. www.Pembangkit dan Pengukuran Tegangan Tinggi Bolak-Balik com.
19
