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