Pembangkit Tegangan Tinggi Impuls

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Keperluan dan Fungsi Pengujian pembangkitan listrik tegangan impuls

Dalam dunia teknik tenaga listrik tegangan tinggi disebut juga tegangan yang dianggap

cukup tinggi oleh para ahli listrik, sehingga diperlukan pengujian dan pengukuran dengan

tegangan tinggi yang semuanya bersifat khusus dan memerlukan teknik – teknik tertentu.

Selain tegangan-lebih dalam ada juga tegangan-lebih luar, yaitu tegangan tinggi yang

disebabkan oleh pelepasan muatan petir. Mempunyai bentuk gelombang aperiodik yang

diredam, seperti pelepasan muatan kapasitor melalui tahanan yang induktif. Pada tempat

yang kena petir, bentuk Gelombang: berekor pendek bermuka curam. Tegangan impulse

ini merupakan gelombang berjalan (Traveling Wave). Selama gelombang ini berjalan

melalui kawat transmisi bentuknya berubah mukanya menjadi kurang curam dan ekornya

bertambah panjang, amplitudonya berkurang. Tegangan impulse ini berfungsi untuk

eksperimen dan riset mengenai ketahanan peralatan terhadap gelombang petir.

1.2. Bentuk tegangan impuls

Bentuk umum tegangan impuls yang dipakai dilaboratorium adalah tegangan yang naik

dalam waktu yang sangat singkat sekali, disusul dengan penurunan yang lambat menuju

nol yaitu yang dapat dinyatakan dalam persamaan berikut.

V=V0(e-at – e-bt) ( pers 1 -1 )

Bentuk Tegangan Impuls Standar, yaitu:

1.Tegangan Impuls Petir

2.Tegangan Impuls Surja Hubung

3.Tegangan Impuls Terpotong

Definisi muka gelombang (wave-fron), dan ekor gelombang (wave-tail) ditetapkan dalam

standar – standar sedemikian rupa sehingga kesukaran untuk menetapkan permulaan

1

gelombang dan puncak gelombang dapat diatasi. Menurut standar jepang titik nol

nominal dari sebuah tegangan impuls adalah perpotongan antara sumbu waktudengan

garis lurus yang menghubungkan titik 10% dan 90% dari tegangan puncak. Muka

gelombang didefinisikan sebagai bagian dari gelombang yang dimulai dari titik nol

( nominal ) sampai titik puncak, sedang sisanya disebut ekor gelombang. Setengah

gelombang adalah titik – titik pada muka dan ekor diman tegangannya adalah setengah

puncak. ( titk 0,05 pada Gbr. 1.1.a. ). Menurut standar jepang lamanya muka gelombang

didefinisikan sebagai hasil bagi antara lamanya tegangan naik dari 10% sampai 90% dari

puncak dan 0,8

Waktu sampai setengah puncak dari ekor gelombang didefinisikan sabagai waktu dari

titik nol nominal sampai setengah puncak pada ekor. Kecuraman muka gelombang adalah

kecepatan naiknya tegangan pada mukagelombang. Kecuraman muka rata – rata untuk

mudahnya dinyatakan sebagai perbandingan antara tegangan puncak dan muka

gelombang.

Gelombang poenuh adalah gelombang yang tidak terputus oleh karena lompatan api atau

tembusan (puncture), mempunyai waktu muka-gelombang Tf ( µs ) dan waktu sampai

setengah puncak Tt ( µs ). Gelombang ini dinyatakan dalam sandi ±(Tf x Tt) ms. Dengan

polaritasnya sekaligus. Bentuk standar menurut IEC adalah [IEC: ±(1.2 x 50)

ms ].Besarnya ( amplitude ) osilasi frekuensi tinggi (V1) pada muka gelombang

2

Menurut standar IEC harus kurang dari 5% dari harga puncak di sekitar puncak; periksa

Gbr.1.a.

Untuk surja hubung (switching surge ) bentuk gelombangnya adalah 50 – 1000 µs

( terutama 100 – 300 µs ) untuk muka, dan sekitar 3000 µs untuk ekor.

1.3. Prinsip kerja generator implus

Prinsip kerja generator impuls RLC dapat diterangkan pada Gbr.3.2. kapasitor C diberi

muatan sebuah sumber tegangan DC melalui tahanan pemuat r. Percikan api (sperk-over)

antar sela api G terjadi pada waktu tegangan pemuat V mencapai suatu harga tertentu.

Pada waktu itu muatan pada C dilepaskan (discharges) melalui tahanan seri Rs, induktansi

L, dan tahanan R0. Dengan demikian tegangan impuls terjadi diantar terminal tahanan.

Tahanan Rs bertindak sebagai tahanan peredam (damping resistor) untuk menghindarkan

osilasi frekuensi tinggi. Tahanan pelepas muatan ( discharge resistor) R0 dipakai untuk

bentuk ekor gelombang, sedangkan L dan R0 dipakai untuk mengatur muka gelombang.

3

1.3.1. Persamaan dasar untuk Sirkuit RLC

Didalam Gbr.3.2. Bila dianggap bahwa

C(2r)>> CR dimana R=Ro+Rs

maka : ( pers.3 -1 )

sehingga: ( pers 3 – 2 )

oleh karena penyelesaian persamaan 3 - 2 dapat dinyatakan sebagai i = A eP t, maka

dengan mensubsitusikan dalam persamaan tersebut diperoleh :

dimana

Dengan rumus ABC didapatkan:

Penyelesaian rumus diatas :

4

Maka :

Jadi, penyelesaian persamaan diatas adalah :

Dimana A1 dan A2 adalah konstanta integral yang dapat ditentukan dari kondisi

permulaan à pada saat t=0 maka akan didapat :

- i=0

- L di/dt=V

5

Karena :

Maka :

Maka tegangan impulsnya adalah :

6

Sebagaimana diketahui ada tiga kemungkianan mengenai harga a1 dan a2 yang

sitentukan oleh harga dibawah tanda akar. Untuk generator impuls parameternya siatur

sedemikian rupasehingga harga sibawah akar adalah positif. Dengana demikian maka a1

dan a2 adalah positif dan Riil.dengan membangdingkan persamaan diatas maka besarnya

tiap suku dinyatakan dalam gambar dibawah ini :

7

1.3.2. Analisa persamaan impuls RLC

Didalam praktek, harga yang ditentukan adalah panjang muka dan ekor gelombang,

sedangkan yang harus dicari adalah harga a1 dan a2 atau R dan L, atau R, L dan C.

Untuk menemukan harga a1 dan a2 diperlukan dua persamaan :

- Yang menyatakan bahwa Tf terjadi pada titik maksimum, yaitu pada waktu

dv/dt=0

- Yang menyatakan tegangan impulsnya menurun menjadi setengahnya pada waktu

Tt, atau :

Secara teoritis a1 dan a2 dapat dicari dari persamaan diatas bila Tf dan Tt diketahui,

oleh karena penyelesaiannya agak sulit, maka dapat dipakai penyederhanaan sebagai

berikut :

8

Dari persamaan ini dapat ditarik sebuah lungkung yang menghubungkan k dengan β, sebagaiman

tertera pada gambar berikut.

9

Selanjutnya:

Jadi Tf dan Tt diketahui maka dapat dihitung dari persamaan diatas. Dari gambar 3.5. dapat diukur ln

β, Dari gambar dapat diukur ln b, sehingga d dapat dihitung. Setelah itu g dapat dicari. Sehingga a1

dan a2 dapat ditentukan. Apabila ketelitian yang lebih tinggi dikehendaki, maka dipakai cara analitis

sebagai berikut :

10

Dengan kira – kira 2 %, denga cara mencoba – coba ( tial & error ) maka γ dan δ dapat dicari. Dan

dengan cara yang sama pula a1 dan a2 dapat dihitung. Beberapa harga untuk beberapa bentuk

gelombang tertera pada tabel berikut:

Bentuk Gelombang g d g2 - d2 LC RC

1 x 40 2.768 2.75 0.1 21.7 54.5

1 x 50 3.044 3.029 0.0862 11.6 70.6

1.5 x 40 1.766 1.757 0.0642 15.6 55.4

11

1.3.3. Effesiensi Tegangan

Oleh karena adanya jatuh tegangan, mak tegangan impuls yang akhirnya sampai kepada

spesimen yang diuji tidak sama dengan ( lebih rendah daripada ) tegangan pemuat,

sehingga dapat didefinisikan suatu efisiensi tegangan ( voltage – efficiency ) sebagai

berikut:

Efisiensi ini disebut “ utilization ratio” yaitu perbandingan antar haga puncak tegangan

impuls pada terminal pengujian dan tegangan penguat pada kapasitor. Untuk sirkuit RLC,

efesiensinya menggunakan rumus berikut:

1.4. Sikuit RLC praktis

1.4.1. Cara memberi muatan

Generator yang dipakai untuk pengujian tegangan impuls tidak terdiri dari sebuah

kapasitor C, tetapi adalah generator yang terdiri dari beberapa tahap. Kapasitor dalam

setiap tahap diberi muatan secara paralel, dan dilepaskan muatannya secara seri melalui

sela api (spark-gaps).

Cara memberi muatannya ada 2 macam yaitu secar seri dan paralel, gambar berikut

merupakan gambaran secara seri, dimana tahanan pemuatannya semuanya dihubungakan

secara seri. 3 sela bola dalam tahap yang terendah doipakai untuk memudahkan lompatan

api diantara sela seri.

12

Gambar dibawah ini menyatakan sirkuit paralel dimana tiap tahanan pemuat dihubungkan

paralel. Dalam hal ini lompatan api dapat dijalankan dengan mudah. Kerugian cara

paralel dibandingkan dengan cara seri ialah bahwa tiap tahanan pemuat harus diisolasikan

terhadap seluruh tegangan pemuat ( atau setengahnya ).ini tentu saja merugikan sangat

merugikan, karena tidak ekonomis dan teknisnya lebih sukar dilaksanakan.

1.4.2. Cara mulai dan mengatur tegangan

Dalam praktek pengujian diinginkan supaya tegangan impuls itu sampai pada spesimen

yang diuji tepat pada saat yang dikehendaki, artinya waktu mulai pelepasan muatan harus

ada ditangan operator. Untuk itu harus diadakan sebuah sela – mulai ( starting-gap ) yang

terletak pada bagian yang terendah tegangannya. Ada dua macam cara yaitu :

1. Dimana pelepasan terjadi secara sepontan pada sebuah sela-bola.

2. Dengan mengadakan pelepasan buatan dengan bantuan sebuah sela khusus.

13

Untuk mengadakan operasi yang simultan antara generator impuls dan pesawat pencatat,

maka biasanya dipakai sebuah sela-mulai yang dilepaskan dengan cara listrik. Gambar

dibawah ini menggambarkan sebuah sela-mulai yang mempunyai sela-jarum

ditengahnya. Dalam sela ini electroda tegangan tingginya adalah sebuah bola. Electroda

tanahnya adalah sebuah setengah bola yang mempunyai lubang silendris dimana

dimasukkan sebuah logam baja.

1.4.3. Cara mengukur tegangan impuls

- Dengan menggunakan sela-bola

Meter yang dipakai untuk mengukur tegangan impuls selalu harus ditera dengan tegangan

percikan 50% dari sebuah sela bola standar yang dihubungkan dengan terminal generator.

Adapun yang dimaksut dengan sela-bola standar ialah sela-bola yang memenuhi syarat

standar mengenai kwalitas, jarak antara bola dan ukuran bola.

14

Dalam keadaan tertentu, sebuah sela-bola selalu mempuyai tegangan percikan tertentu

pula. Itulah sebabnya ia dapat digunakan sebagai alat ukur tegangan.

- Dengan menggunakan CRO

Cathode-Ray Ocillograph adalah alat pengukur yang sangat penting oleh karenayang

diukur bukan hanya puncak dan bentuk gelombang tegangan impuls saja, melainkan juga

ketidak normalan dalam bentuk yang terlihat, yang menggambarkan kerusakan yang

terjadi pada alat yang diuji.

- Faktor koreksi keadaan udara dalam pengujian impuls

Untuk pengujian impuls berlaku juga ketentuan-ketentuan tentang faktor koreksi keadaan

udara, dalam klasifikasi gelombang impuls ini termasuk suja petir dan surja hubung.

- Konstruksi generator impuls

Contoh konstruksi suatu generator impuls dapot dilihat pada gambar diatas, generator ini

adalah bentuk fisik dari generator impuls yang sirkuit pokoknya dinyakanoleh gambar

3.8. generator ini terdiri dari 10 tahapan dan mempunyai tegangan nominal 170 Kv. Oleh

karena ada jatuh tegangan dalam generator, maka tegangan penguji hanya 600 Kv

besarnya.

Kegunaan Tegangan Tinggi Impuls:

1.Menguji peralatan sistem bahwa mampu memikul tegangan lebih karena adanya

Operasi hubung – buka (Switching Operation) dan karena sambaran petir pada sistem.

2. Untuk menyelidiki mekanisme tembus listrµik bahan dielektrik

15

Bentuk Tegangan Impuls Standar, yaitu:

Ada 3 (tiga) bentuk Tegangan Impuls

1.Tegangan Impuls Petir

2.Tegangan Impuls Surja Hubung

3.Tegangan Impuls Terpotong

Sela Picu

Tegangan impuls dapat dibangkitkan dengan sela picu. Alat ini terdiri dari dua elektroda,

yaitu elektroda tegangan tinggi berbentuk bola dan elektroda berbentuk setengah bola.

Elektroda setengah bola I mempunyai lubang selinder yang didalamnya dimasukkan satu

tabung gelas yang diselubungi logam. Di dalam tabung gelas terdapat satu jarum yang

dihubungkan dengan alat picu (Triggering Device Triggering Device) .

16

DAFTAR PUSTAKA

- Artono arismunandar,”teknik tegangan tinggi”, PT. Pradnya paramita 2001

17