PENGUKURAN TEGANGAN DAN ARUS TINGGI Pada pengujian di laboratorium dan industri, dituntut untuk melakukan peng penguk ukur uran an tega tegang ngan an dan dan
aru arus
yang yang akur akurat at dan dan
membe mberi
jami aminan nan
keamanan yang baik bagi personal dan peralatan terhadap over voltage dan tegangan induksi berkenaan dengan Stray Coupling. Untuk itu penempatan dan dan layou ayoutt dari ari per peralat alatan an adal dalah hal yang ang pent pentin ing g dan beba bebas s dar dari interferensi electromagnetic electromagnetic pada pengukuran tegangan dan arus impuls. Tabel di bawah ini memperlihatkan metode/teknik pengukuran tegangan dan arus tingi
Tabel 1. Teknik Pengukuran tegangan tinggi Jenis Tegangan
Metode atau Teknik
a. Tegangan DC
(i). Series Resistance Microammeter (ii). Resistance Potential divider (iii). Generating Voltmeter (iv). Sphere and other Spark Gaps
b. Tegangan AC frekwensi daya
(i). Series impedance ammeter (ii). Potential divider (resistance or capacitance type) (iii). Potential Transformator (Electromagnetics (Electromagnetics or CVT) (iv). Electrostatic Voltmeter (v). Sphere Gaps
c. Tegangan frekwensi tinggi AC, Tegangan impuls, dan Tegangan lain yang berubah dgn cepat
i). Potential divider with a cathode ray oscillograph (Resistive or capacitive dividers) (ii). Peak Voltmeter (iii). Sphere gaps
Tabel 2. Teknik Pengukuran Arus tinggi Jenis Arus
Metode atau Teknik
a. Arus dc
(i). Resistive shunts with Milliammeter (ii). Hall effect generators (iii). Magnetic Links
b. Arus ac frekwensi daya
(i). Resistive shunts (ii). Electromagnetic current transformer
c. frekwensi tinggi ac, arus impuls, dan Arus yang berubah dgn cepat
(i). Resistive shunts (ii). Magnetic potensiometers or Rogowski coils (iii). Magnetic Links (iv). Hall effect generators
Pengukuran Tegangan Tinggi DC Peng Penguk ukur uran an
tega tegang ngan an ting tinggi gi dc sebag sebagai aima mana na pada pada peng penguku ukura ran n
tegangan rendah umumnya dilakukan dengan menambah tahanan seri yang besar, besar, menging mengingat, at, Arus dalam meter meter biasany biasanya a dibata dibatasi si
pada pada nilai nilai 1-10
mikroampere untuk full scale deflection. Sedangkan untuk tegangan yang sangat tinggi (1000 kV keatas), permasalahan yang muncul adalah disipasi daya daya yang yang besar besar,, arus arus boco bocor, r, peru peruba bahan han resi resist stans ansii berk berken enaan aan vari variasi asi temperature, dll. •
High Ohmic Series Resistance with Microammeter Microammeter
Tegangan Tegangan tinggi tinggi dc biasanya biasanya diukur dengan menghubungkan menghubungkan tahanan yang yang sangat sangat tinggi tinggi (Beberap (Beberapa a ratus ratus mega ohm)
terhub terhubung ung seri dengan dengan
microammeter, microammeter, sebagaimana ditunjukkan pada gambar 7.1.
Arus Arus I yang yang mengal mengalir ir melal melalui ui Resis Resistan tansi si R diukur diukur oleh oleh moving moving coil coil microammeter. microammeter. Besar Tegangan sumber sumber adalah : V=IR Dalam Dalam hal hal ini ini drop drop tegan teganga gan n dala dalam m mete meterr diaba diabaik ikan an,, oleh olehkar karen ena a impedansi meter sangat kecil dibanding dengan resistansi seri R. Peralatan proteksi seperti paper gap, gap, neon glow tube atau zener diode, diode, merupakan media media protek proteksi si bagi bagi micro microamm ammete eterr terhad terhadap ap teganga tegangan n tinggi tinggi,, ketika ketika R mengalami kegagalan atau flash over. •
Resistance Potential dividers Resist Resistanc ance e potent potential ial divide dividerr dengan dengan sebuah sebuah elektr elektrost ostati atis s atau atau high high
impedance voltmeter ditunjukkan pada gambar 7.2.
Besar teganga tinggi dirumuskan sebagai berikut:
R + R 2 V= 1 V2 R 2 Dima Dimana na V2 adal adalah ah tega tegang ngan an rend rendah ah yang yang teru teruku kurr pada pada R2. Jika Jika terj terjadi adi perubahan tegangan secara tiba-tiba, seperti: proses switching, flash over pada obyek uji, atau short ciruit, maka flash over atau kerusakan dapat terjad terjadii pada pada divide dividerr elemen elements ts berken berkenaan aan dengan dengan stray stray capaci capacitan tance ce yang yang mela melalu luii elem elemen en dan dan juga juga kapas kapasit itan ansi si tanah tanah.. Untu Untuk k menc menceg egah ah adany adanya a tegangan tegangan transien, transien, maka voltage voltage controlli controlling ng capacitor capacitor dihubungkan dihubungkan pada elemen. Sebuah resistor seri yang terhubung dengan capasitor parallel digunakan untuk linearisasi ditribusi potensial transien, sebagaimana ditunjukkan pada gamb gambar ar 7.3. 7.3. Pote Potent ntia iall divi divide derr dibu dibuat at deng dengan an kete keteli liti tian an 0.05 0.05% % hing hingga ga tegangan 100 kV, ketelitian 0.1% hingga tegangan 300 kV •
Generating Voltmeter
Perala Peralatan tan penguku pengukuran ran tegang tegangan an tinggi tinggi yang yang menggu menggunaka nakan n prinsi prinsip p pembangkitan sebagaimana pada Van de Graaff Generator . Generating volt voltme mete terr
vari variab able le
meru merupak pakan an
generator
capa capaci cito tor r
elec electr tros osta tati tic c
yang yang memb membang angki kitk tkan an arus arus seba seband ndin ing g
volt voltag age e
deng dengan an tega tegang ngan an
eksternal yang diterapkan. Peralatan ini digerakkan oleh sebuah external synchr synchrono onous us atau atau consta constant nt speed speed motor motor dan tidak tidak menyer menyerap ap daya daya atau atau energy dari sumber pengukuran tegangan
Prinsip Operasi Muatan disimpan dalam capasintasi capasitor C yang diberikan oleh
q
= CV. Jika kapasitansi kapasitor bervariasi dengan waktu saat dihubungkan ke sumber tegangan V, maka Arus yang melalui kapasitor adalah: i
=
dq dt
=
V
dC
+
dt
C
dV
(1)
dt
Untuk dc, tegangan dV/dt = 0, olehkarena itu i
= dq = V dC dt
(2)
dt
Jika kapasitansi C bervariasi bervariasi di antara limit Co dan (Co+Cm) secara sinusoidal, sebagaimana: C = Co + Cm Sin
t
ω
Maka arus adalah: im = im Cos
t , dimana im = V Cm
ω
ω
im adalah nilai puncak arus, maka nilai rms dari arus adalah: i rms =
Untuk frequensi sudut
ω
VCmω 2
(3)
yang konstan, arus sebanding dengan tegangan
yang diterapkan V. Pada umumnya arus yang dibangkitkan disearahkan dan
diukur oleh moving coil meter. Generating Volmeter dapat digunakan untuk pengukuran tegangan ac.
PENGUKURAN TEGANGAN TINGGI AC DAN IMPULSE Pengukuran tegangan tinggi AC menggunakan metode konvensional sepe sepert rti: i:
seri series es
impe impeda danc nce e
volt voltme mete ters rs,,
pote potent ntia iall
divi divide der, r,
pote potens nsia iall
transformer, atau electrostatic voltmeters. Akan tetapi designnya berbeda dibanding meter-meter tegangan rendah, misalnya pada design isolasinya. Jika hanya dibutuhkan pengkuran nilai puncak, maka peek voltmeters dan sphere gap dapat digunakan. Pengukuran Pengukuran AC frekwensi frekwensi tinggi dan impuls, impuls, semuanya semuanya menggunakan menggunakan potential dividers dengan cathode ray ascillograph untuk merekam bentuk gelomb gelombang ang tegtan tegtangan gan.. Spher Sphere e gaps gaps diguna digunakan kan jika jika nilai nilai yang yang dibutu dibutuhkan hkan hanya nilai tegangan puncak dan juga untuk keperluan kalibrasi.
•
Series Impedance Voltmeter Untuk Untuk penguk pengukura uran n frekwe frekwensi nsi daya, daya, series series imped impedanc ance e dapat dapat berupa berupa
resistansi murni atau reaktansi. Jika resistansi menyebabkan rugi-rugi daya, bias biasan anya ya
capa capasi sito torr
dija dijadi dika kan n
seba sebaga gaii
seri series es
reac reacta tanc nce. e.
Dan Dan
resi residu dual al
indu induct ctanc ance e pada pada resi resist stan ansi si meng mengal alam amii kenai kenaikan kan pada pada impe impeda dansi nsi yang yang berbeda dari resistansinya. memberikan Selain itu pula untuk resistansi yang ting tinggi gi,,
vari variasi asi
resi resist stan ansi si
terh terhad adap ap
temp temper erat atur ure e
meru merupak pakan an
masa masala lah. h.
Reaktansi yang tinggi untuk tegangan tinggi memiliki stray capacitance dan karenanya resistansi mempunyai rangkaian eqivalen seperti pada gambar 7.8. Untuk setiap frekwensir
ω
dari tegangan AC, impedansi dari resistansi R
adalah: Z
Jika
ωL
dan
ωC
=
R + jωL (1 − ω2 LC ) + jωCR
(5)
kecil dibandingkan R, maka:
ωL − ωCR R
Z = R 1 + j
(6)
Dan total sudut phasanya adalah:
ωL − ωCR R
tan tan φ =
Kondisi ini dapat dibuat 0 dan tidak bergantung pada frekwensi, jika:
(7)
L/C = R2 •
(8)
Series Capacitance Voltmeter Ser Series
capa capac citor itor
digu diguna naka kan n
seba sebag gai
peng pengga gant ntii
resi esistor stor
untu untuk k
peng penguku ukura ran n tega tegang ngan an ting tinggi gi AC. AC. Diaag Diaagra ram m skema skemati tik k ditu ditunj njuk ukka kan n pada pada gambar 7.10. Arus Ic yang melalui meter adalah: Ic
Dimana:
=
jωCV
(9)
C = Kapasitansi dari series capacitor ω=
Frekwensi sudut, dan
V = Tegangan AC yang diterapkan Jika tegangan AC mengandung harmonic, maka akan terjadi perubhan pada series series impedance. impedance. Nilai Nilai
tegangan tegangan rms V dengan harmoni harmonic c diberikan diberikan oleh
persamaan: V
V1,V2,…Vn
=
2
V1
V2
+
2
+
V3
2
+
... + Vn
2
(10)
mempresentasikan nilai fundamental rms, harmonic ke 2 …dank
en
Arus berkenaan dengan harmonisasi ini adalah:
I1
CV1 =ω
I2
CV 2 ,.... = 2ω
In
CV n = nω
(11)
Olehkarenanya, resultante arus rms adalah: 2 2 2 I = ωC(V1 + 4V2 + ... + n 2 Vn )1 / 2
(12)
Dengan 10% harmonic kelima, maka arusnya adalah 11.2% lebih tinggi, dan karena karenanya nya errorn errornya ya 11 11.2% .2% pada pada penguk pengukura uran n tegang tegangan. an. Metode Metode ini tidak tidak direkomendasi jika tegangan ac bukan gelombang sinusoidal murni.
Capasitance Potential Dividers and Capacitance Voltage Transformers Erro Errorr berk berken enaa aan n deng dengan an tega tegang ngan an harm harmon onic ic dapat dapat diel dielim imin inasi asi deng dengan an mengunakan Capacitive Voltage dividers dengan Volmeter elektrostatis atau meter impedansi tinggi. Jika meter dihubungkan melalui long cable, maka kapasitansinya harus dimasukkan dalam perhitungan. Biasanya, kapasitor yang digunakan sebagai sebagai C berupa berupa tekanan udara atau gas standar standar (gambar (gambar 7.11 7.11), ), dan dan C2 merupak merupakan an kapasit kapasitor or besar besar (mica, (mica, paper, paper, atau atau capasi capasitor tor deng dengan an rugi rugi-r -rug ugii yang yang keci kecil) l).. C1 meru merupa pakan kan kapasi kapasito torr 3 term termin inal al dan dan dihubungkan dengan C2 melalui shielded cable, cable, dan C2 completely shielded yang yang berada berada dalam dalam box untuk untuk menghi menghindar ndarii stray capacitanc capacitance e. Tegang Tegangan an yang diterapkan dirumuskan dengan:
C + C2 + C3 V1 = V2 1 C 1
(13)
Dimana Cm adalah kapasitansi meter , V2 merupakan pembacaan meter
Adap Ad apun un ihti ihtisar sar dari dari peng penguk ukur uran an bola bolak k balik balik dapat dapat dili diliha hatt pada pada tabe tabell dibawah ini;
