pengaruh jumlah dan jarak mesh perisai terhadap induksi tegangan

PENGARUH JUMLAH DAN JARAK MESH PERISAI
TERHADAP INDUKSI TEGANGAN TINGGI PADA SALURAN
TEGANGAN RENDAH
Tumbur Harianja, Hendra Zulkarnaen
Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU)
Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA
e-mail : [email protected]
Abstrak
Perisai (shielding) adalah suatu bahan yang penting dalam laboratorium tegangan tinggi. Perisai
(shielding) yang dimaksudkan adalah perisai (shielding) untuk frekuensi 50-60 Hz, yakni untuk khusus
untuk kasus medan elektromagnetik yang ditimbulkan oleh tegangan tinggi AC. Kemampuan perisai
(shielding) untuk melindungi induksi tegangan tergantung pada jenis bahan dan bentuk material dari
perisai (shielding) itu sendiri dan pengaruh dari lingkungan sekitar, seperti temperatur, kelembapan, dan
tingkat kontaminasi udara sekitar. Dalam paper ini akan dikaji pengaruh jumlah dan jarak mesh perisai
terhadap induksi tegangan tinggi pada saluran tegangan rendah. Mesh perisai dirancang dengan berbahan
kawat galvanis. Mesh perisai ini dibentuk dalam bentuk persegi dengan ukuran 24 inch 2 yang disesuaikan
dengan ukuran dari kawat BC (kawat yang bertegangan tinggi). Mesh perisai yang dirancang ada empat
buah sesuai dengan jumlah mesh. Adapun jumlah mesh yang dirancang adalah 1 mesh/1 inch 2, 4 mesh/1
inch2, 9 mesh/1 inch2, dan 16 mesh/1 inch2. Dalam penelitian ini, perisai mesh yang lebih bagus
melindungi induksi tegangan tinggi adalah yang berukuran 16 mesh/1 inch2. Hal ini memperlihatkan
bahwa semakin banyak jumlah mesh maka semakin bagus untuk melindungi induksi tegangan tinggi.
Kata Kunci : Perisai, Induksi Tegangan, Medan Elektromagnetik.
1. Pendahuluan
Tegangan tinggi yang dibangkitkan di
laboratorium tegangan tinggi akan menimbulkan
induksi tegangan di sekitar laboratorium tegangan
tinggi. Induksi tegangan yang timbul akan
berbahaya bagi peralatan-peralatan saluran tegangan
rendah apabila besar induksi tegangan terhadapnya
melebihi besar yang sudah ditentukan untuk
peralatan itu. Selain itu, induksi tegangan yang
timbul akan mengganggu kesehatan bagi pengguna
laboratorium tegangan tinggi dalam jangka panjang.
Untuk itu, maka diperlukan perisai (shielding)
sebagai pelindung induksi tegangan tersebut. Jenis
perisai ada banyak. Pada paper, jenis perisai yang
dirancang adalah perisai mesh. Keberadaan perisai
mesh ini tidak menghilangkan semua induksi
tegangan yang ditimbulkan, melainkan mengurangi
induksi tegangan sebelum menerpa peralatanperalatan saluran tegangan rendah atau pengguna di
laboratorium tegangan tinggi.
Adapun manfaat dari penelitian ini adalah
untuk merancang perisai mesh di Laboratorium
Tegangan Tinggi Departemen Teknik elektro
USU.
Adapun batasan masalah dalam percobaan ini
adalah :
1. Tegangan Tinggi yang digunakan adalah
tegangan tinggi AC dengan tegangan
maksimum yang dibangkitkan sebesar 75
kV. Tegangan 75 kV merupakan tegangan
maksimum yang dapat dibangkitkan di
Laboratorium Tegangan Tinggi Departemen
Teknik Elektro USU.
2. Besar induksi tegangan maksimum yang
diizinkan pada saluran tegangan rendah
pada percobaan adalah sebesar 300 V [1].
3. Kabel tegangan rendah yang digunakan
adalah kabel NYA, seperti yang biasa
dipakai pada saluran tegangan rendah.
4. Konduktor tegangan tinggi yang dipakai
adalah konduktor Bare Copper (BC)
dengan luas penampang 50 mm2.
5. Kabel NYA letaknya sejajar dengan
konduktor Bare Copper (BC).
6. Kawat yang dipakai untuk bahan perisai
adalah kawat galvanis dengan diameter 0,08
cm.
7. Jumlah mesh yang dirancang adalah mesh
1, mesh 4, mesh 9, dan mesh 16 dengan
acuan ukuran 1 inch2.
8. Induksi akibat arus diabaikan karena arus di
pembangkit tegangan tinggi di laboratorium
sangat kecil.
2. Medan Listrik, Medan Elektromagnetik,
dan Perisai
1
2
Konduktor
Vi
C12
Intensitas medan listrik merupakan gaya yang
dialami oleh sebuah muatan uji bernilai satu satuan
muatan positif. Intensitas medan listrik harus diukur
dalam besaran Newton per Coulomb (N/C) yaitu
dimensi gaya per satuan muatan listrik. Dengan
menggunakan huruf kapital E untuk melambangkan
intensitas medan listrik, dapat ditulis pada
persamaan (1) dan (2). Persamaan (1) untuk skalar
dan persamaan (2) untuk vektor[2].
Ft
E=Q
C1g
Gambar 1. Gandengan Kapasitif Antara Dua
Konduktor
Besar induksi tegangan (Vi) dari Gambar 1
diperlihatkan pada persamaan (3).
1t
Vi = (
𝑅.𝑋2𝑔
𝑅+𝑋2𝑔
𝑅.𝑋2𝑔
𝑋12 +(
𝑅+𝑋2𝑔
Q
E = 4π𝜀˳R1
R
V1
(1)
t
2
a1t
C2g
)
) . V1
(3)
(2)
Di mana :
E = Intensitas medan listrik ( N/C)
Q1 = Muatan yang bernilai satu muatan (C)
Qt = Muatan uji (C)
Ft = Gaya uji (N)
𝜀˳ = Permitivitas ruang hampa (F/m)
R1t = jarak antara Q1 dan Qt (m)
Apabila dua konduktor bertegangan dibatasi oleh
sebuah perisai, maka gandengan kapasitifnya
diperlihatkan pada Gambar 2.
1
shielding
2
R
C2s
C1s
C1g
Csg
C2g
V1
Pada penelitian, besar intensitas medan listrik
sama halnya dengan besar induksi tegangan yang
diakibatkan tegangan tinggi. Hal ini dikarenakan
bahwa induksi tegangan yang ditimbulkan oleh arus
listrik tidak diperhitungkan.
Perisaian adalah teknik yang digunakan untuk
mengurangi
ataupun
mencegah
terjadinya
gandengan radiasi elektromagnetik yang tidak
diinginkan yang berasal dari lingkungan luar
menuju ke peralatan elektronik, dan juga untuk
mengurangi pancaran radiasi elektromagnetik yang
berasal dari peralatan elektronik tersebut ke
lingkungan luar. Radiasi elektromangnetik terbagi
dua yaitu radiasi kapasitif dan induktif. Radiasi
kapasitif ditimbulkan oleh gandengan kapasitif dan
radiasi induktif ditimbulkan oleh gandengan
induktif. Radiasi sama halnya dengan induksi
tegangan. Untuk memperjelas kedua induksi
tegangan dapat dilihat dengan analisis berikut :
Dua buah konduktor bertegangan yang dibatasi
oleh udara akan menimbulkan rangkaian gandengan
kapasitif dan gandengan induktif. Untuk gandengan
kapasitif diperlihatkan pada Gambar 1[3].
Gambar 2. Gandengan Kapasitif Antara Dua
Konduktor yang Dibatasi Perisai
Besar induksi tegangan (Vi) dari Gambar 2
diperlihatkan pada persamaan (4).
𝑅.𝑋2𝑔
).𝑋𝑠𝑔
𝑅+𝑋2𝑔
(
Vi = (
).V1 (4)
𝑋2𝑔 .𝑅
𝑋2𝑔 .𝑅
+𝑋2𝑠 ).𝑋𝑠𝑔 +𝑋1𝑠 ((
)+𝑋2𝑠 +𝑋𝑠𝑔 )
𝑋2𝑔 +𝑅
𝑋2𝑔 +𝑅
(
Untuk gandengan induktif diperlihatkan pada
Gambar 3.
2
1
R
I1
M12
R
V1
Gambar 3. Gandengan Induktif Antara Dua
Konduktor
Besar induksi tegangan (Vi) dari Gambar 3
diperlihatkan pada persamaan (5).
Vi = - M
𝑑𝑖1
𝑑𝑡
(5)
Apabila dua konduktor bertegangan dibatasi oleh
sebuah perisai, maka gandengan induktifnya
diperlihatkan pada Gambar 4.
Adapun rangkaian percobaan penelitian untuk
pengaruh jumlah dan jarak mesh perisai terhadap
induksi tegangan tinggi pada saluran tegangan
rendah diperlihatkan pada Gambar 5.
1
Shielding
2
R
R
KAWAT BC
M1s
S1
I1
M2s
Perisai Mesh
R
R
S2
S1
.
V
V
Vin
Gambar 4. Gandengan Induktif Antara Dua
Konduktor yang Dibatasi Perisai
Besar induksi tegangan (Vi) dari Gambar 4
diperlihatkan pada persamaan (6)[4] :
Vi = - M2s
3.
𝑑𝑖𝑠
𝑑𝑡
(6)
Metodologi Penelitian
Penelitian dilakukan pada bulan Agustus 2013
di Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi
Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara, Medan. Dalam
penelitian, alat dan bahan yang digunakan
diperlihatkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Peralatan yang Digunakan
Nama Alat
Spesifikasi
trafo uji
200/100.000 Volt,
50 Hz, 10 kV
autotrafo
220/0-00 Volt, 10
kVA.
kayu
2 inch
paku
1 inch
kawat
galvanis
kabel
NYA
resistor
barometer
S2
TU
V1
Jumlah
1 unit
1 unit
secukupnya
secukupnya
0,08 cm
secukupnya
240 Volt
secukupnya
1 kΩ, 10 kΩ
range tekanan 7,5825,0 mmHg,
range
kelembaban 10110 % RH, range
suh 0-50 °C
2 buah
kawat BC 50 mm2
multimeter 9205A; 0,2-750
VAC; 0,2-1000
VDC; 02-2 AC;
0,002-20 ADC
1 buah
secukupnya
2 buah
Kabel tegangan rendah
R2
AT
G
R1
V2
Gambar 5. Rangkaian Percobaan
Keterangan : AT = Autotrafo; TU = Trafo uji; S1 =
Saklar utama; S2 = Saklar sekunder;
Vin = tegangan masukan; V =
voltmeter; V2 = voltmeter untuk
tegangan pada R2; R1 dan R2; tahanan
pembagi tegangan.
4. Hasil dan Analisis
Induksi tegangan tanpa perisai mesh jauh lebih
besar dibandingkan dengan perisai mesh yang tanpa
ditanahkan dan ditanahkan. Hal ini disebabkan
karena medan listrik yang ditimbulkan oleh
tegangan tinggi, semuanya langung mengenai
saluran tegangan rendah tanpa ada penghalang
untuk mengurangi besar medan listrik tersebut.
Ketika perisai mesh tidak ditanahkan didapatkan
bahwa
induksi
tegangannya
lebih
besar
dibandingkan dengan ditanahkan. Hal ini
disebabkan karena muatan-muatan akan berkumpul
pada perisai mesh sehingga hal itu masih
mengakibatkan timbulnya medan listrik yang lebih
besar antara perisai dengan dengan kabel tegangan
rendah. Sehingga tegangan induksi yang dihasilkan
juga lebih besar. Sedangkan apabila perisai mesh
ditanahkan, maka muatan yang berkumpul itu akan
sebagian langsung ke tanah sehingga muatan di
perisai berkurang sehingga medan listrik semakin
kecil dan menyebabkan induksi tegangan yang lebih
kecil juga. Hal ini ditunjukkan pada Tabel 2 sampai
Tabel 13.
Tabel 2. Jarak S1 dan S2 yang tetap, tegangan tinggi
(Vt) yang dibangkitkan variabel, untuk
jarak S1 = S2 = 20 cm , S1 + S2 = 40 cm, P
= 757,6 mmHg ; T = 27,8C
Tabel 3. Jarak S1 dan S2 yang tetap, tegangan tinggi
(Vt) yang dibangkitkan variabel, untuk
Jarak S1 = S2 = 30 cm, S1 + S2 = 60 cm, P
= 757,6 mmHg ; T = 27,8C
Tabel 6. Jarak S2 yang tetap, jarak S1 yang variabel,
tegangan tinggi (Vt) yang dibangkitkan
tetap, untuk jarak S2 = 20 cm, P = 754,3
mmHg ; T = 27,6 C ; Vt = 75 kV
Tabel 7. Jarak S2 yang tetap, jarak S1 yang variabel,
tegangan tinggi (Vt) yang dibangkitkan
tetap, untuk jarak S2 = 30 cm, P = 754,3
mmHg ; T = 27,6 C ; Vt = 75 kV
Tabel 4. Jarak S1 dan S2 yang tetap, tegangan tinggi
(Vt) yang dibangkitkan variabel, untuk
jarak S1 = S2 = 40 cm , S1 + S2 = 80 cm, P
= 757,6 mmHg ; T = 27,8 C
Tabel 8. Jarak S2 yang tetap, jarak S1 yang variabel,
tegangan tinggi (Vt) yang dibangkitkan
tetap, untuk jarak S2 = 40 cm, P = 754,3
mmHg ; T = 27,6 C ; Vt = 75 kV
Tabel 5. Jarak S1 dan S2 yang tetap, tegangan tinggi
(Vt) yang dibangkitkan variabel, untuk
jarak S1 = S2 = 50 cm , S1 + S2 = 100 cm,
P = 757,6 mmHg ; T = 27,8 C
Tabel 9. Jarak S2 yang tetap, jarak S1 yang variabel,
tegangan tinggi (Vt) yang dibangkitkan
tetap, untuk, jarak S2 = 50 cm, P = 754,3
mmHg ; T = 27,6 C ; Vt = 75 kV
Tabel 10. Jarak S1 yang tetap, jarak S2yang variabel,
tegangan tinggi (Vt) yang dibangkitkan
tetap, untuk jarak S1 = 20 cm, P = 754,4
mmHg ; T = 27,3 C ; Vt = 75 kV
Tabel 13. Jarak S1 yang tetap, jarak S2yang variabel,
tegangan tinggi (Vt) yang dibangkitkan
tetap, untuk jarak S1 = 50 cm, P = 754,4
mmHg ; T = 27,3 C ; Vt = 75 kV
Tabel 11. Jarak S1 yang tetap, jarak S2yang variabel,
tegangan tinggi (Vt) yang dibangkitkan
tetap, untuk jarak S1 = 30 cm, P = 754,4
mmHg ; T = 27,3 C ; Vt = 75 kV
Dari hasil percobaan pada Tabel 2 sampai
Tabel 13 dapat dihitung persentasi penurunan
induksi tegangan pada saluran tegangan rendah
(kabel NYA) seperti diperlihatkan persamaan (7).
% Penurunan =
Tabel 12. Jarak S1 yang tetap, jarak S2yang variabel,
tegangan tinggi (Vt) yang dibangkitkan
tetap, untuk jarak S1 = 40 cm,P = 754,4
mmHg ; T = 27,3 C ; Vt = 75 kV
V0 − V1
V0
x 100%
(7)
Dimana :
Vo
= induksi tegangan pada saluran tegangan
rendah (kabel NYA) tanpa perisai mesh.
V1 = induksi tegangan pada saluran tegangan
rendah (kabel NYA) dengan perisai mesh
tanpa dan ditanahkan pada setiap mesh.
Persentasi dari penurunan induksi tegangan
terhadap setiap mesh diperlihatkan dalam setiap
grafik pada Gambar 6 yang memperlihatkan bahwa
semakin banyak jumlah mesh, maka semakin besar
presentasi penurunan induksi tegangan.
Gambar 6. Grafik untuk percobaan dengan jarak
S1 dan S2 yang tetap, tegangan tinggi
(Vt) yang dibangkitkan pada kawat BC
adalah variabel. Dimana jarak S1 = S2
= 20 cm, S1 + S2 = 40 cm.
a. tanpa ditanahakan.
b. ditanahkan.
c. tanpa ditanahkan dan ditanahkan.
5. Kesimpulan
a
b
Dari hasil analisis data yang diperoleh dari
percobaaan yang dilakukan, maka dapat ditarik
beberapa kesimpulan sebagai berikut :
1. Semakin banyak jumlah perisai mesh, maka
persentasi penurunan tegangan induksi
semakin tinggi.
2. Tegangan induksi yang timbul pada kabel
tegangan rendah akan semakin kecil apabila
perisai mesh tersebut ditanahkan jika
dibandingkan tanpa ditanahkan.
3. Semakin jauh jarak perisai mesh dari kawat
BC, maka tegangan induksinya semakin
berkurang.
4. Besar induksi tegangan yang dihasilkan
dengan jarak perisai mesh terhadap sumber
medan listrik (kawat BC) yang tetap dan
jarak perisai mesh terhadap saluran
tegangan rendah (kabel NYA) yang variabel
adalah lebih besar jikalau dibandingkan
dengan besar induksi tegangan yang
dihasilkan
dengan jarak perisai mesh
terhadap sumber medan listrik (kawat BC)
yang variabel dan jarak perisai mesh
terhadap saluran tegangan rendah (kabel
NYA) yang tetap.
Referensi
c
[1] SNI 04-0225-2000. Ketentuan Tentang
Tegangan Pengenal dan Tegangan Kerja.
Standar Nasional Indonesia, 2000.
[2] William H. Hayt, Jr. John A. Buck.2001.
Engineering Electromagnetics. Sixth Edition,
The McGraw Companies.
[3] Kodali, V. Prasad. 1996. Engineering
Electromagnetic Compatibility Principles,
Measurements, and Technologies. New York :
The Institute ofElectrical and Electronics
Engineers, Inc.
[4] Ott, Henry W. 1975. Noise Reduction
Techniques in Electronic System. New York :
John Wiley & Sons.