Untitled - Graha Ilmu
advertisement
TEKNIK TEGANGAN TINGGI Prinsip dan Aplikasi Praktis Penulis:I Made Yulistya Negara Edisi Pertama Cetakan Pertama, 2013 Hak Cipta 2013 pada penulis, Hak Cipta dilindungi undang-undang. Dilarang memperbanyak atau memindahkan sebagian atau seluruh isi buku ini dalam bentuk apa pun, secara elektronis maupun mekanis, termasuk memfotokopi, merekam, atau dengan teknik perekaman lainnya, tanpa izin tertulis dari penerbit. Ruko Jambusari No. 7A Yogyakarta 55283 Telp. : 0274-889836; 0274-889398 Fax. : 0274-889057 E-mail : [email protected] Negara, I Made Yulistya TEKNIK TEGANGAN TINGGI; Prinsip dan Aplikasi Praktis/I Made Yulistya Negara -Edisi Pertama – Yogyakarta; Graha Ilmu, 2013 X + 326 hlm, 1 Jil.: 26 cm. ISBN: 978-979-756-958-7 1. Teknik I. Judul Kata Pengantar Jika kita mendiskusikan tegangan tinggi, maka kecenderungan yang kita diskusikan adalah sistem penyaluran tenaga listrik. Hal ini tidaklah keliru, karena perkembangan tegangan tinggi dimulai dengan keinginan membangkitkan tegangan tinggi untuk kemudahan penyaluran tenaga listrik. Jika kita mendiskusikan lebih detil ternyata aplikasi tegangan tinggi tidak hanya menyangkut sistem penyaluran tenaga listrik melainkan penggunaan tegangan tinggi sering kita jumpai pada keseharian. Seperti yang sangat umum kita jumpai adalah mesin printer dan mesin fotokopi yang ternyata menggunakan tegangan tinggi dc. Buku ini membahas teknik tegangan tinggi dari sisi yang tidak berhubungan langsung dengan sistem penyaluran tenaga listrik. Buku ini dibagi menjadi tiga bagian besar yakni pembangkitan tegangan tinggi yang dipergunakan untuk pengujian yang dibahas pada bagian I, bagian II membahas proses kegagalan pada bahan isolasi gas, cair, dan padat. Bagian akhir membahas sekilas tentang fenomena tegangan lebih sesaat dalam hal ini fenomena petir beserata teknik perlindungannya dan koordinasi isolasi. Buku ini dikembangkan dari Vorlesungsbegleitung der Hochspannungstechnik II bei Dr.-Ing. Rainer Badent von Institut für Elektroenergiesysteme und Hochspannungstechnik, Universität Karlsruhe. Buku ini ditujukan untuk para mahasiswa teknik elektro, praktisi dan profesional yang ingin mempelajari prinsip tegangan tinggi beserta aplikasi praktis tegangan tinggi. Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada Dr.-Ing Rainer Badent, Dr.Ing. Bern Hoferer yang telah menjadi sahabat selama di Jerman. Penulis juga tidak lupa mengucapkan terima kasih Prof. Masanori Hara dan Prof. Junya Suehiro yang membuat penulis semakin matang selama menempuh pendidikan di Jepang. Terima kasih penulis sampaikan kepada rekan-rekan Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember khusus Prof. Ontoseno Penangsang yang telah menerjunkan penulis pada bidang tegangan tinggi. Terakhir, penulis sangat mengharapkan kritik dan saran membangun dari seluruh pembaca demi penyempurnaan buku ini ke [email protected]. Penulis I Made Yulistya Negara i Daftar Isi 1 Pendahuluan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Klasifikasi Tingkat Tegangan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Sejarah Perkembangan Transmisi Tegangan Tinggi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2 Bagian I PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI 2 Pembangkitan Tegangan Tinggi AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Trafo Uji Tegangan Tinggi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Konstruksi trafo uji tegangan tinggi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Rangkaian satu tingkat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Rangkaian pengganti trafo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4 Rangkaian bertingkat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5 Reaktansi hubung singkat trafo uji bertingkat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.6 Tegangan Lebih Kapasitif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Rangkaian Resonansi Seri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Rangkaian Resonansi Paralel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Soal Telaah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 7 8 9 9 12 13 14 15 16 16 3 Pembangkitan Tegangan Tinggi DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Besaran besaran tegangan tinggi DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Penyearah setengah gelombang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Penyearah Gelombang Penuh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Rangkaian Pelipatganda Tegangan Dc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Rangkaian Delon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Rangkaian Delon Ganda - Liebenov Greinacher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Rangkaian Villard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.4 Kaskade Greinacaher (Cochroff - Walton) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Generator Elektrostatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 Generator Van de Graaff - Generator Pita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Trommel Generator Felici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Soal Telaah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 19 20 21 23 23 23 24 24 25 26 27 27 4 Pembangkitan Tegangan Tinggi Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Besaran Besaran Tegangan Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Rangkaian Pembangkit Tegangan Impuls Satu Tingkat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Rangkaian dan Prinsip Kerja Pembangkit Tegangan Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Perhitungan Besaran Besaran Tegangan Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Induktansi parasit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Rangkaian Pelipatganda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 29 31 32 32 35 35 iii viii iv 5 Teknik Tegangan Tinggi; Prinsip dan Aplikasinya Daftar Isi 4.3.1 Rangkaian Pengganti Generator Marx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Perhitungan besaran besaran impuls pada generator Marx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3 Induktansi Parasit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.4 Masalah Penyalaan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Soal Telaah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 37 38 39 40 Arus Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Arus Impuls Eksponensial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Arus impuls waktu panjang atau arus impuls segiempat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Soal Telaah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 41 42 43 Bagian II PROSES KEGAGALAN BAHAN ISOLASI 6 Kegagalan Elektrik pada Bahan Isolasi Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Karakteristik Dasar Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1 Kecepatan Molekul Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2 Panjang Jalur Bebas Rata-rata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.3 Proses Benturan Elastis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Pembangkitan Pembawa Muatan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Proses Ionisasi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2 Proses Emisi Permukaan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Rekombinasi Pembawa Muatan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1 Rekombinasi elektrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2 Rekombinasi Ruang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Kecepatan layang dan mobilitas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1 Pergerakan pembawa puatan pada vakum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.2 Pergerakan pembawa muatan pada gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Karakteristik arus-tegangan stasioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.1 Peluahan tak bertahan sendiri (non-self sustained discharge) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.2 Peluahan bertahan sendiri (self sustained discharge) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6 Perhitungan Tegangan Gagal Statis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7 Perhitungan Tegangan Penyalaan Dinamis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7.1 Hukum Paschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7.2 Pengaruh Kekasaran Elektrode pada Kegagalan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8 Kegagalan pada Medan Tak-Seragam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8.1 Korona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8.2 Peluahan Streamer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8.3 Peluahan Leader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9 Isolasi Vakum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9.1 Emisi Elektron pada Vakum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9.2 Kegagalan Vakum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.10 Soal Telaah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 47 47 49 52 53 54 57 60 60 60 63 64 65 66 66 69 74 75 77 79 80 81 84 85 86 86 87 90 7 Kegagalan pada bahan Isolasi Cair dan Isolasi Padat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 7.1 Kegagalan pada Isolasi Cair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 7.1.1 Mekanisme Konduksi pada Dielektrik Cair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 7.1.2 Mekanisme Kegagalan pada Dielektrik Cair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 7.1.3 Jenis Isolasi Cair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 7.2 Kegagalan pada Isolasi Padat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 DaftarIsi isi Daftar ix v 7.2.1 Mekanisme Konduktansi dan Rugi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2 Proses Kegagalan pada Isolasi Padat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.3 Jenis bahan Isolasi Padat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Soal Telaah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 119 125 127 8 Fenomena Petir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1 Pembentukan Badai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Peluahan Petir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3 Jenis-Jenis Petir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.1 Petir Awan-Bumi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.2 Petir Bumi-Awan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4 Efek Parameter Arus Petir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.1 Nilai arus maksimum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.2 Muatan arus petir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.3 Energi spesifik arus petir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5 Tingkat kecuraman arus petir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6 Deteksi Lokasi Petir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.7 Pengaman Petir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.8 Soal Telaah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 129 131 131 132 134 134 134 135 136 138 138 139 141 9 Koordinasi Isolasi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1 Tegangan Lebih Luar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Tegangan lebih dalam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 Gelombang Berjalan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.1 Panjang dan pendek secara elektrik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.2 Persamaan Penghantar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.3 Perhitungan gelombang berjalan pada penghantar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.4 Perhitungan sederhana rangkaian penghantar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.5 Proses perhitungan gelombang berjalan dengan bantuan ”peta jalan gelombang” . . . . 9.4 Koordinasi Isolasi menurut VDE 0111 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5 Soal Telaah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 144 145 146 146 148 150 154 156 156 159 Pustaka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
