I PEMBANGKITAN DAN PENGUKURAN TEGANGAN TINGGI

PERCOBAAN - I
PEMBANGKITAN DAN PENGUKURAN TEGANGAN TINGGI
BOLAK-BALIK
1.1
DASAR TEORI
Tegangan tinggi bolak-balik banyak dipergunakan untuk pengujian
peralatan listrik yang memiliki kapasitansi besar seperti kabel tegangan tinggi
dan isolator, untuk penelitian, dan sebagai sumber untuk pembangkitan
tegangan tinggi searah dan impuls, utamanya pada percobaan di laboratorium.
1.2.1 Pembangkitan Tegangan Tinggi Bolak-Balik
Untuk membangkitan tegangan tinggi bolak-balik di laboratorium, maka
digunakan transformator uji tegangan tinggi tiga belitan (dapat digunakan untuk
rangkaian bertingkat kaskade). Jenis transformator ini memiliki perbandingan
belitan yang sangat besar antara belitan tegangan tinggi H dan belitan
tegangan rendah atau eksitasi E.
Transformator uji tegangan tinggi tersebut mampu menghasilkan
tegangan yang sangat tinggi namun menyerap daya yang lebih rendah
dibanding dengan trafo daya. Keuntungan lainnya ialah dapat membangkitkan
tegangan tinggi hingga di atas ratus kV dengan menyusun beberapa trafo uji
tersebut secara seri atau susunan kaskade.
1.2.2 Pengukuran Tegangan Tinggi Bolak-Balik
Pada percobaan ini, pengukuran tegangan tinggi bolak-balik dapat
dilakukan dengan menggunakan tiga buah metode yaitu:
1. Sela bola.
2. Rangkaian penyearah.
3. Rasio belitan.
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 1
1.2.2.1 Pengukuran Tegangan Puncak dengan Sela
Bola
Apabila besar tegangan uji yang diterapkan pada suatu sela bola di
dalam udara melampaui nilai tegangan tembus statisnya, maka dalam selang
waktu beberapa μs terjadi tembus elektrik pada sela bola tersebut. Selama
selang waktu itu, nilai puncak tegangan tinggi bolak-balik pada trafo dianggap
konstan. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa tembus elektrik pada gas
atau udara dengan menerapkan tegangan tinggi bolak-balik frekuensi rendah,
selalu terjadi pada saat nilai puncak tegangannya.
Menurut standard IEC dan VDE, tegangan tembus elektrik suatu sela
0
bola pada kondisi atmosfer standar (p0 = 760 torr = 1013 mbar dan t0 = 20 C =
0
293 K) untuk berbagai diameter bola D ialah sebagai fungsi dari besar jarak
sela s.
Ûd0 = f(D,s)
Karena kondisi atmosfer atau besar kerapatan udara yang sangat
bervariasi menurut waktu dan tempat, maka menyebabkan karakteristik tembus
juga terpengaruh perubahan kondisi atmosfer. Menurut Kuffel dan Zaengl,
besar tegangan tembus elektrik (Ud = Ûd) pada berbagai kondisi atmosfer
dirumuskan sebagai berikut:
Ud = δÛd0
δ
= p  293  0,386
760
δ
(1.1)
273  t
= p  293  0,289
1013 273  t
p (p dalam torr)
273  t
(1.2)
p
(p dalam mbar)
273  t
(1.3)
dengan substitusi persamaan 1.3 ke dalam persamaan 1.1, didapatkan:
Ud = 0,289
p
Ûd0
273  t
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
(1.4)
Halaman - 2
keterangan:
Ûd0 = tegangan tembus untuk sela bola menurut Schwaiger pada kondisi
kerapatan udara standar (kV)
Ud = tegangan tembus yang terjadi pada sela bola (kV)
δ
= faktor koreksi atau disebut sebagai kerapatan udara relatif
p
= tekanan udara pada ruangan (mbar)
0
t
= temperatur udara pada ruangan ( C)
s
= jarak sela bola (cm)
D = diameter bola (cm)
1.2.2.2 Pengukuran Tegangan Rata-rata dengan Rangkaian Penyearah
Pada metode ini, trafo uji diseri dengan dioda tegangan tinggi sebagai
penyearah setengah gelombang. Tegangan pada terminal keluaran dioda ialah
tegangan tinggi searah yang mengandung ripel tegangan sebesar

U karena
adanya kapasitor perata. Besar tegangan rata-rata akan terbaca pada alat ukur
yaitu DGM yang terhubung dengan resistor tegangan tinggi sebagai pembagi
tegangan resistif (untuk lebih jelasnya, lihat gambar 1.2).
Tegangan yang terukur pada DGM ialah U dc, dan dengan menggunakan
nilai tersebut didapatkan besar tegangan tembus bolak-balik pada sela bola
sebagai berikut:
Uac =
U dc
kV
(1.5)
2
1.2.2.3 Pengukuran Tegangan Puncak dengan Rasio Belitan
Rasio belitan pada trafo uji tegangan tinggi merupakan perbandingan
antara jumlah lilitan tegangan tinggi atau sekunder dengan lilitan tegangan
rendah atau primer.
N H U H nom

N E U E nom
(1.6)
keterangan:
UE nom = tegangan nominal primer trafo (V)
UH nom = tegangan nominal sekunder trafo (kV)
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 3
Besar tegangan di atas dapat dilihat pada name plate trafo uji.
Pada Gambar 1.1.b ditunjukkan rangkaian ekivalen dari trafo uji tegangan
tinggi. Dari gambar tersebut terlihat bahwa rangkaian ekivalen trafo uji tersebut
tidak sama dengan rangkaian ekivalen trafo pada umumnya. Hal ini akibat
adanya kapasitansi sendiri Ci dari belitan tegangan tinggi yang paralel dengan
kapasitansi objek uji Ca. Dengan demikian total kapasitansi pada sisi sekunder
trafo uji ialah C = Ci + Ca dan besar impedansi hubung singkatnya adalah Rk +
jLk.
Dari diagram fasor pada Gambar 1.1.c, dapat disimpulkan bahwa besar
tegangan sekunder trafo uji Us tidak sama dengan Up’.
Up’ =
Us
U H nom
U E nom
= Up ’
Up
1
1   Lk C
2
(1.7)
= Up’
1
1Uk
(1.8)
keterangan:
Up = tegangan primer trafo (V)
Up’ = tegangan pada sisi sekunder trafo dengan sisi primer sebagai
referensi (kV)
Us = tegangan sekunder trafo (kV)
Uk = persentase tegangan hubung singkat trafo uji (%)
Nilai Uk dapat dilihat pada name plate trafo uji. Karena nilai 1-Uk yang
selalu lebih kecil dari 1, maka akan diperoleh peningkatan tegangan sekunder
trafo uji atau Us  Up’, sehingga penentuan nilai Us tidak dapat dihitung
langsung berdasarkan perbandingan rasio belitan trafo uji melainkan harus
memperhitungkan juga besar Uk trafo tersebut.
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 4
NH
NE
~U
U p’
Ci
Us
Ca
p
(a)
Rk Ī
jLk Ī
Lk
Rk
Ī
US
U p’
C
Up’
US
Ī
(b)
(c)
Gambar 1.1 Rangkaian dasar trafo uji tegangan tinggi
(a) Diagram rangkaian
(b) Rangkaian ekivalen
(c) Diagram fasor
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 5
PERCOBAAN - II
FAKTOR EFISIENSI MEDAN LISTRIK PADA BEBERAPA
BENTUK GEOMETRIS ELEKTRODA
2.1
DASAR TEORI
Besar faktor efisiensi medan listrik (  ) pada berbagai konfigurasi
susunan elektroda dengan bentuk geometris tertentu dapat didefinisikan
menurut Schwaiger sebagai berikut:
=
E rata rata
E maksimum
(2.1)
atau
Eratarata =   Emaksimum
Emaksimum =
Ud
s  m
(2.2)
(2.3)
keterangan:
= efisiensi medan listrik pada susunan elektroda

Eratarata = kuat medan listrik rata-rata (kV/cm)
Emaksimum = kuat medan listrik lokal tertinggi (kV/cm)
Ud
= tegangan tembus pada susunan elektroda (kV)
s
= jarak sela antar elektroda (cm)
m
= 1 kV/cm
Pada susunan elektroda keping sejajar, distribusi medan listriknya
homogen sehingga besar
Emaksimum sama dengan Eratarata . Sebaliknya pada
distribusi medan listrik non homogen akan terdapat kuat medan listrik lokal
pada daerah tertentu yang nilainya lebih besar dari kuat medan listrik rataratanya. Dengan demikian maka batas nilai faktor efisiensi medan listrik untuk
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 6
berbagai susunan elektroda dengan bentuk geometris tertentu memenuhi
syarat:
≤1
Besar faktor efisiensi medan listrik bergantung pada bentuk geometris
dari susunan elektroda, yaitu untuk susunan elektroda yang memberikan
distribusi medan listrik homogen semisal susunan pelat datar sejajar maka
 =
1, sedangkan pada susunan elektroda yang menghasilkan distribusi medan
listrik non homogen seperti jarum-piring, batang-bola, maka nilai
 < 1.
Selain mengacu pada persamaan 1, faktor efisiensi medan listrik dapat
pula ditentukan secara empiris dengan menyatakan
 sebagai fungsi dari satu
atau dua besaran karakteristik geometris susunan elektroda p dan q.
Berdasarkan pada buku faktor efisiensi geometri elektroda menurut Schwaiger
halaman pertama, maka:
p=
sr
r
(2.4)
q=
R
r
(2.5)
keterangan:
s
= jarak sela (cm)
r, R = jari-jari elektroda (cm) dengan r < R
Nilai dari
 fungsi p dan q tersebut untuk bermacam-macam susunan
elektroda nantinya dapat dilihat pada buku faktor efisiensi geometri elektroda
menurut Schwaiger. Apabila besar efisiensi medan
 diketahui, maka kuat
medan listrik yang menyebabkan terjadi tembus pada dielektrik dalam sela
elektroda dapat ditentukan yaitu:
U d = Ed  s 
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 7
Ed =
Ud
s 
(2.6)
keterangan:
U d = tegangan tembus pada susunan elektroda (kV)
E d = kuat medan listrik yang menyebabkan terjadi tembus (kV/cm)
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 8
PERCOBAAN - III
TEMBUS PADA GAS
3.1
DASAR TEORI
Berdasarkan teori yang terdapat pada hukum Paschen disimpulkan
bahwa besar tegangan tembus akan semakin meningkat ketika tekanan gas
dinaikkan. Hal ini disebabkan karena tekanan gas yang semakin tinggi
mengakibatkan semakin rapatnya molekul udara sehingga elektron untuk
bergerak membutuhkan energi yang lebih besar. Pada percobaan, besarnya
nilai tekanan gas (p) pada tabung uji dapat dihitung dengan menjumlahkan
antara tekanan gas dalam ruangan dengan penambahan atau pengurangan
tekanan gas dalam tabung uji. Maka perhitungannya sebagai berikut:
p
= pa + pb
(3.1)
keterangan:
p = tekanan gas dalam tabung uji (mbar)
pa = tekanan gas pada ruangan saat percobaan (mbar)
pb = tekanan gas yang terbaca pada tabung uji (mbar)
Untuk menentukan nilai tekanan gas dan jarak sela (ps) yaitu pada
percobaan ini jarak sela elektroda dibuat tetap untuk perubahan p b, maka dapat
digunakan persamaan sebagai berikut:
ps =
ps
1000
(3.2)
keterangan:
ps = perkalian tekanan gas dan jarak sela (barmm)
p = tekanan gas dalam tabung uji (mbar)
s = jarak sela (mm)
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 9
3.1.1 Mekanisme Townsend
Mekanisme Townsend menjelaskan tentang fenomena tembus hanya
pada tekanan rendah dan jarak sela yang kecil (ps ≤ 10 barmm) dengan medan
homogen. Mekanisme Townsend menyatakan dua hal penting yang menjadi
dasar teorinya yaitu proses primer (memungkinkan terjadinya banjiran elektron)
dan proses sekunder (memungkinkan terjadinya peningkatan banjiran elektron).
Percobaan Townsend ditunjukkan pada Gambar 3.1.
Sinar ultra
violet
ANODA
KATODA
d
R
Sumber
tegangan
Uvar
Resistor
pembatas
arus
A
Gambar 3.1 Rangkaian percobaan tembus Townsend
3.1.1.1 Proses Primer
Proses primer merupakan proses ionisasi. Karena radiasi eksternal (sinar
ultra violet) elektron akan dibebaskan dari katoda. Elektron ini akan dipercepat
oleh medan listrik menuju anoda dengan suatu gaya sebesar eE, dan energi
(W) yang diberikan adalah sebagai berikut:
W  eE x 
1
mv2
2
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
(3.3)
Halaman - 10
keterangan:
W
e
E
m
v
x
=
=
=
=
=
=
energi (Joule)
-19
muatan elektron (1,6  10 C)
intensitas medan (kV/m)
massa elektron (gram)
kecepatan elektron (m/s)
jarak pengarah elektron (m)
Dalam pergerakannya menuju anode, elektron tersebut akan menumbuk
molekul gas dan menghasilkan ion-ion positif serta elektron-elektron bebas
baru. Elektron bebas baru ini akan membentuk banjiran elektron primer yang
bergerak ke anode sebagai arus listrik.
3.1.1.2 Proses Sekunder
Bila elektron awal telah berhasil mencapai anode maka proses avalance
tunggal telah selesai. Ion positif yang terbentuk pada proses primer akan
bergerak menuju katode dan dipercepat oleh medan listrik. Ketika ion positif
menumbuk katode maka elektron akan dibebaskan ke luar permukaan katode
dan terjadi penambahan elektron yang akan membentuk banjiran muatan ruang
yang lama-kelamaan menjembatani terjadinya kanal peluahan antara anodakatode pada sela elektroda, sehingga terjadi tembus total.
3.1.2
Kurva Paschen
Pada Gambar 3.2 diperlihatkan kurva Paschen untuk udara dengan
konstanta A = 1,125370188 mm
-1
-1
mbar , konstanta B = 27,3840079 V mm
-1
mbar , dan  = 0,02. Kurva Paschen dibagi menjadi 3 daerah tembus yaitu
-1
daerah I yang merupakan karakteristik tembus gas pada keadaan vakum. Pada
kondisi awal diberikan tegangan tembus yang cukup tinggi untuk memicu
terbentuknya elektron bebas sebagai pemicu terjadinya tegangan tembus pada
gas.
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 11
Ud (kV)
1000
Daerah I
Daerah II
Daerah III
900
800
700
600
500
400
300
(ps min, Ud min)
200
100
ps (barmm)
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
Gambar 3.2 Kurva Paschen untuk gas (Ud fungsi ps)
Berikutnya daerah II merupakan daerah terjadinya tembus Townsend
pada tekanan rendah dan jarak sela yang kecil (ps ≤ 10 barmm) dengan medan
homogen. Untuk daerah III merupakan daerah terjadinya tembus Streamer
pada tekanan tinggi dan jarak sela yang lebih besar dari daerah II. Pada kondisi
ini (daerah III) molekul-molekul udara semakin padat dan menekan ke segala
arah sehingga elektron bebas untuk dapat bergerak membutuhkan energi yang
lebih tinggi. Hal ini menyebabkan nilai tegangan tembus U d semakin besar.
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 12
PERCOBAAN - IV
DISTRIBUSI TEGANGAN TINGGI BOLAK-BALIK
PADA ISOLATOR RANTAI
4.1
DASAR TEORI
Pada saluran transmisi SUTT, kawat penghantar yang bertegangan tinggi
digantungkan pada isolator rantai. Untuk isolator rantai yang panjang, distribusi
tegangan tinggi bolak-balik pada tiap-tiap isolator penyusunnya tidak merata.
Hal ini disebabkan oleh adanya pengaruh dari:
1. Kapasitansi antara penghubung tiap-tiap isolator (C).
2. Kapasitansi antara penghubung isolator dengan tanah atau menara
penghantar (Ce).
3. Kapasitansi antara penghubung isolator dengan kawat penghantar
bertegangan tinggi (Ch).
Isolator rantai yang dibebani dengan tegangan tinggi bolak-balik dapat
dinyatakan dengan rangkaian pengganti seperti pada Gambar 4.1. Pada
gambar tersebut, jumlah isolator yang digunakan ialah 5 buah isolator piring
(suspension insulator), sehingga akan diperoleh 5 buah kapasitansi C, dan 4
buah kapasitansi masing-masing Ce dan Ch .
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 13
n=0
C
Ce
X
Ch
n=1
C
Ch
Ce
n=2
C
L
Ch
Ce
n=3
C
Ce
Ch
n=4
C
n=5
Tanah atau menara penghantar
Kawat penghantar bertegangan tinggi
Gambar 4.1 Rangkaian pengganti isolator rantai dengan
5 buah isolator penyusun
Dengan analisis rangkaian listrik dapat diperoleh distribusi tegangan pada
isolator rantai:
Ui(n) =
1
Ce  C h
 sinh Ka
 sinh K (1  a) 
Ce sinh K  C h 1  sinh K 



(4.1)
Besar Ui(n) dapat pula dicari secara praktek atau berdasarkan hasil
percobaan, melalui persamaan pendekatan yaitu:
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 14
Ui(n) =
U
 100%
Un
(4.2)
dengan syarat batas, yaitu pada:
n = 0, (X = 0),
Ui(n) = 0 atau Un = ~
n = 5, (X = L),
Ui(n) = 1 atau Un = U
a
=
K
=
X
L
Ce  C h
C
(4.3)
(4.4)
Besar distribusi tegangan tinggi bolak-balik pada tiap-tiap isolator piring
ialah:
ΔUn = Ui(n) – Ui(n-1)
(4.5)
keterangan:
Un = tegangan pada jepitan ke-n isolator rantai (kV)
Ui(n) = tegangan pada jepitan ke-n isolator rantai (%)
U
= tegangan pembebanan pada isolator rantai atau tegangan antara
kawat penghantar tegangan tinggi dengan tanah (kV)
ΔUn = distribusi tegangan tinggi bolak-balik pada isolator ke-n (%)
Kurva Ui(n) fungsi a pada isolator rantai untuk nilai kapasitansi C e dan Ch
yang berbeda-beda ditunjukkan pada gambar 4.2.
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 15
Ui(n)
1
0
1
a
Ce > C h
Ce = C h
Ce = Ch = 0
Ce < C h
Gambar 4.2 Kurva Uin fungsi a pada isolator rantai
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 16
PERCOBAAN - V
PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI SEARAH DAN
EFEK POLARITAS
5.1
DASAR TEORI
Untuk membangkitkan tegangan tinggi searah dalam laboratorium
umumnya menggunakan komponen penyearah yang terdiri atas sejumlah dioda
semikonduktor yang terpasang seri. Prinsip dasar pembangkitan tegangan
tinggi
searah
yaitu
membangkitkan
tegangan
tinggi
bolak-balik
yang
keluarannya dihubungkan dengan rangkaian penyearah setengah gelombang
(menggunakan dioda tegangan tinggi).
5.1.1 Pembangkitan Tegangan Tinggi Searah
Pembangkitan
tegangan
tinggi
searah
yang
paling
sederhana
diperlihatkan pada Gambar 5.1.a. Sebuah transformator uji tegangan tinggi
dihubungkan dengan beban R melalui sebuah dioda penyearah ideal V.
Tegangan sekunder trafo yang berbentuk sinusoida dengan nilai puncak Û
akan disearahkan terlebih dahulu oleh dioda tegangan tinggi yang memiliki
resistansi maju dan arus reverse sama dengan nol (karakteristik ideal).
Bentuk keluaran gelombang tegangan yang telah disearahkan dapat
dilihat pada Gambar 5.1.b dan 5.1.c. Terlihat pada Gambar 5.1.c, dengan
memasang paralel kapasitor C dengan beban akan didapatkan gelombang
tegangan yang rata dalam keadaan mantap dibanding tanpa kapasitor. Jadi
fungsi kapasitor C ialah sebagai filter atau perata bentuk gelombang tegangan
keluaran dari dioda. Untuk Gambar 5.1.c, tegangan searah pada beban u(t)
akan mengandung tegangan cacat atau ripel tegangan, sehingga berlaku
persamaan:
Ū≈Û-

U
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
(5.1)
Halaman - 17
Semakin rata gelombang tegangan beban, maka besar ripel tegangan
akan semakin kecil dan periode konduksi dioda tv akan menjadi lebih singkat.
Besar tegangan balik yang harus ditahan oleh dioda ialah:
ÛV ≈ 2ÛT
Dengan melihat kembali Gambar 5.1.c, maka besar ripel tegangan dapat dicari
yaitu:
untuk tv << T =
1
dan  U<<Ū, perubahan muatan pada kapasitor perata
f
selama periode padam:
2  UC ≈
T
i
g
dt = T Īg
0

U = Īg
1
2 fC
(5.2)
Gambar 5.1 Rangkaian pembangkitan tegangan tinggi searah dengan metode
penyearah setengah gelombang
(a) Rangkaian pengganti;
(b) Bentuk gelombang tegangan beban tanpa kapasitor perata C
(c) Bentuk gelombang tegangan beban dengan kapasitor perata C
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 18
5.1.2 Pengukuran Tegangan Tinggi Searah
Untuk melakukan pengukuran tegangan tinggi searah, salah satu metode
yang digunakan ialah dengan bantuan tahanan atau resistor tegangan tinggi
yang mempunyai harga tahanan sangat besar seperti yang terlihat pada
Gambar 5.2.
R1
u(t)
R2
DGM
Gambar 5.2 Pengukuran tegangan tinggi searah dengan suatu resistor seri
atau pembagi resistif
Tahanan R2 ialah resistor yang berfungsi sebagai pembagi tegangan
resistif yang diseri dengan R1 dan diparalel dengan alat ukur tegangan tinggi
searah DGM. Besar tegangan yang diukur DGM ialah nilai rata-rata tegangan
searah Ū. Cara lain untuk pengukuran tegangan tinggi searah adalah dengan
menggunakan meter-volt elektrostatik dan sela bola.
5.1.3 Korona Listrik
Korona merupakan suatu gejala tembus parsial atau sebagian yang
diakibatkan oleh adanya kuat medan listrik yang sangat tinggi di dalam daerah
sela elektroda. Pada kondisi distribusi medan listrik yang tidak seragam seperti
pada susunan elektroda jarum-piring, batang-piring, maka akan terjadi
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 19
pelepasan muatan listrik dari permukaan ujung elektroda yang memiliki radius
kecil akibat medan listrik yang sangat besar di daerah sekitar ujung elektroda
tersebut.
Dengan adanya kuat medan listrik lokal yang tinggi tersebut, maka
proses ionisasi di udara akan terjadi akibat tumbukan elektron-elektron bebas
yang dipercepat oleh medan listrik tersebut dan otomatis menambah jumlah
muatan ruang di dalam sela elektroda. Proses ini dinamakan avalance, yang
terjadi berulang kali sehingga timbul elektron-elektron dan ion positif dalam
jumlah besar disekitar daerah ujung elektroda tersebut yang akhirnya
menyebabkan terjadinya tembus parsial atau korona.
Penampilan visual korona dapat diamati berupa penampakan sinar
korona yang tergantung pada polaritas elektroda koronanya dan timbulnya
suara desisan. Korona positif biasanya menampakkan cahaya yang seragam
pada permukaan elektrodanya, sedangkan korona negatif tampak seperti nodanoda terang pada tempat tertentu. Korona dipengaruhi oleh beberapa kondisi
yaitu tekanan udara, bahan elektroda, adanya uap air di udara, fotoionisasi dan
tipe tegangan tinggi yang diterapkan.
5.1.4 Efek Polaritas
Pada medan listrik sangat tidak homogen seperti pada susunan elektroda
jarum-piring, di depan elektroda tajam terjadi ionisasi tumbukan di udara
setelah tegangan anjaknya (inception voltage) terlewati. Elektron-elektron
karena mobilitasnya yang tinggi akan secara cepat meninggalkan daerah
ionisasi, sedang ion-ion positif yang bergerak lamban akan membentuk muatan
ruang positif di depan elektroda tajam, sehingga distribusi medan listriknya
berubah. Dengan demikian maka tergantung pada jarak sela, tegangan tembus
listrik pada elektroda jarum positif akan lebih rendah dibanding dengan jarum
negatif.
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 20
Pada jarum negatif, elektron-elektron bergerak menuju elektroda piring
atau pelat. Ion-ion positif yang tertinggal akan menyebabkan penaikan kuat
medan listrik sangat tinggi tepat pada ujung jarum, sedangkan pada daerah
ruang medan listrik lainnya hanya memiliki kuat medan listrik yang lebih kecil.
Dengan demikian pengembangan kanal peluahan muatan listrik ke arah
elektroda pelat akan semakin lama.
Pada jarum positif, elektron-elektron bergerak menuju elektroda jarum.
Ion-ion positif yang tertinggal akan memperkecil besar kuat medan listrik di
ujung jarum. Dengan demikian maka kuat medan listrik ke arah elektroda pelat
akan meninggi sehingga memudahkan dan mempercepat pengembangan kanal
peluahan muatan listrik. Untuk selengkapnya, efek polaritas dapat dilihat pada
Gambar 5.3.
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 21
PERCOBAAN - VI
PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI IMPULS
6.1
DASAR TEORI
Dalam keadaan kerja, peralatan-peralatan elektrik selain mampu dibebani
tegangan kerjanya, juga harus memiliki ketahanan terhadap pembebanan
tegangan tinggi impuls akibat sambaran petir maupun akibat proses
pengoperasian saklar daya. Penguasaan cara pembangkitan tegangan tinggi
impuls diperlukan agar dapat dihasilkan bentuk gelombang tegangan yang
mendekati kejadian pembebanan transien yang terjadi di jaringan dan agar
dapat dilakukan penelitian dasar tentang tembus elektrik.
6.1.1 Definisi Tegangan Tinggi Impuls
Di dalam teknik tegangan tinggi, pengertian tegangan tinggi impuls
adalah tegangan impuls dengan suatu polaritas tertentu dan bentuk serta
lamanya ditentukan oleh cara pembangkitannya. Tegangan impuls diperlukan
dalam pengujian tegangan tinggi untuk mensimulasi terpaan akibat tegangan
lebih dalam dan luar serta untuk meneliti mekanisme tembus.
Umumnya tegangan tinggi impuls dibangkitkan dengan meluahkan
muatan kapasitor tegangan tinggi (melalui sela percik bola) pada suatu
rangkaian resistor dan kapasitor. Nilai puncak dari tegangan tinggi impuls dapat
ditentukan dengan bantuan sela ukur atau dengan rangkaian elektronik yang
dikombinasikan dengan pembagi tegangan. Alat ukur tegangan impuls yang
terpenting adalah osiloskop sinar katoda yang memungkinkan penentuan nilainilai sesaat melalui pembagi tegangan.
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 22
6.1.2 Bentuk Tegangan Tinggi Impuls
Bentuk umum tegangan tinggi impuls yang dipakai pada laboratorium
adalah tegangan yang naik dengan waktu yang sangat singkat sekali disusul
dengan penurunan tegangan yang sangat lambat menuju ke nol, yaitu dapat
dinyatakan dengan persamaan:
V  V0 (e at  ebt )
(6.1)
Bentuk tegangan semacam ini mudah dibuat, yaitu dengan menetapkan
konstanta a dan b, sedangkan nilai maksimumnya disebut sebagai nilai puncak
tegangan impuls.
Contoh-contoh berbagai bentuk tegangan impuls ialah seperti gambar di
bawah ini:
puncak
punggung
0,9 Û
Td
dahi
Û
Û
Û
t
t
t
Td
(a)
(b)
(c)
Gambar 6.1 Bentuk gelombang tegangan tinggi impuls
(a) Tegangan impuls persegi
(b) Tegangan impuls terpotong (taji)
(c) Tegangan impuls eksponensial ganda
Tegangan impuls persegi mengalami waktu muka yang sangat singkat
dan menjadi konstan setelah mencapai puncak sesaat sebelum terjadi tembus.
Sedangkan tegangan impuls terpotong adalah tegangan impuls yang tiba-tiba
menjadi nol pada saat mencapai puncak atau sewaktu di dahi atau di
punggung. Tegangan impuls eksponensial ganda digunakan untuk peniruan
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 23
tegangan surja petir dan tegangan surja hubung. Perbedaannya ditentukan
pada lama waktu dahi dan waktu punggung.
6.1.3 Parameter Tegangan Tinggi Impuls Petir
Untuk keperluan pengujian di laboratorium, maka tegangan tinggi impuls
yang dipilih ialah tegangan impuls eksponensial ganda jenis impuls petir
dengan karakteristik 1,2/50 μs yang berarti besar waktu dahi
Ts = 1,2 μs dan
waktu paruh punggung Tr = 50 μs seperti ditunjukkan pada Gambar 6.2. Muka
gelombang impuls petir didefinisikan sebagai bagian dari gelombang yang
dimulai dari titik nol hingga mencapai titik puncak, sedangkan sisanya adalah
ekor gelombang. Setengah puncak gelombang adalah titik-titik pada muka dan
ekor yaitu besar tegangannya adalah setengah dari nilai puncak (0,5Û).
Parameter-parameter
tegangan tinggi
impuls
petir
untuk
standar
pengujian dapat dilihat pada Gambar 6.2 berikut ini.
S
punggung
0,9 Û
B
u(t)
dahi
Û
C
0,5 Û
0,3 Û A
0
t
Ts
Tr
Gambar 6.2 Parameter tegangan tinggi impuls petir standar untuk
pengujian di laboratorium
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 24
Waktu muka (Ts) ialah waktu yang terjadi pada muka gelombang dimulai dari
titik perpotongan sumbu waktu t dengan garis lurus yang dibentuk dari titik 0,3Û
(A), 0,9Û (B) dan S hingga mencapai titik potong sumbu waktu t dengan garis
vertikal dari titik S. Sedangkan waktu paruh punggung (T r) adalah waktu yang
dibutuhkan mulai dari titik nol hingga mencapai setengah dari nilai puncak
tegangan 0,5Û (titik C) pada ekor gelombang.
F
U0
(t=0)
Rd
Cs
Re
Ie
Cb
u(t)
(a)
Rd
F
U0
(t=0)
Cs
Re
Ie
Cb
u(t)
(b)
Gambar 6.3 Diagram rangkaian dasar pembangkit tegangan tinggi impuls
(a) angkaian a, (b) Rangkaian b
6.1.4 Pembangkitan Tegangan Tinggi Impuls
Rangkaian dasar pembangkitan tegangan impuls petir dan impuls hubung
untuk
pengujian
adalah
sama,
hanya
berbeda
besar
elemen-elemen
rangkaiannya. Rangkaian dasar yang biasa digunakan ialah rangkaian kapasitif
yaitu rangkaian a dan rangkaian b seperti yang diperlihatkan pada Gambar 6.3.
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 25
Prinsip kerja rangkaian di atas yaitu kapasitor pemuatan C s dimuati
dengan tegangan tinggi searah U0. Dengan penyalaan sela percik bola F,
terjadi peluahan muatan untuk mengisi kapasitor beban C b dan tahanan
peluahan Re. Tegangan tinggi impuls u(t) diperoleh pada terminal kapasitor
beban Cb. Jika diinginkan waktu dahi Ts yang singkat, maka peluahan muatan
yang mengisi kapasitor beban Cb harus secepat mungkin untuk mencapai
tegangan puncak Û, sedangkan waktu punggung T r yang lama ditentukan oleh
tahanan peluahan Re yang jauh lebih besar dibandingkan tahanan peredam Rd.
6.1.5 Pengukuran Tegangan Tinggi Impuls
Pengukuran tegangan tinggi impuls dapat dilakukan dengan dengan sela
percik bola, karena kejadian tembus elektrik sela udara terjadi beberapa
mikrodetik setelah dicapai tegangan tembus statis. Dengan demikian sela
percik bola dapat digunakan untuk pengukuran tegangan puncak impuls yang
tidak terlalu cepat dan untuk konstanta waktu muka T 2 ≥ 50 μs.
Hal ini berlaku, dengan anggapan bahwa di dalam ruang antara sela bola
tersedia pembawa muatan yang cukup, yaitu tembus elektrik akan langsung
terjadi jika telah dicapai tinggi kuat medan tertentu. Alat ukur voltmeter tipe
DSTM digunakan untuk menampilkan nilai puncak tegangan impuls pada
pengukuran.
6.1.6 Penentuan Ts dan Tr untuk Tegangan Impuls Petir secara teori
Pada percobaan ini, rangkaian dasar yang digunakan ialah rangkaian b.
Lama waktu muka dan waktu paruh punggung ditentukan oleh besar kecilnya
resistor peluahan Re dan resistor redaman Rd. Dengan pendekatan ReCs >>
RdCb, dihasilkan persamaan untuk rangkaian b yaitu:
T1
 Re (C s  Cb )
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
(6.2)
Halaman - 26
T2
 Rd
C s Cb
C s  Cb
(6.3)
T s = k 2T 2
(6.4)
T r = k 1T 1
(6.5)
dengan k1 = 0,73 dan k2 = 2,96
CS
C S  Cb

(6.6)
Dari persamaan-persamaan diatas, waktu muka T s berbanding lurus
dengan Rd. Jadi semakin kecil Rd, maka waktu muka akan semakin singkat dan
begitu pula sebaliknya. Sedangkan waktu paruh punggung T r berbanding lurus
dengan Re. Semakin besar Re, waktu paruh punggung akan semakin lama dan
begitu pula sebaliknya.
Besar  medan pada rangkaian b berdasarkan hasil percobaan ialah
didekati dengan rumus pendekatan sebagai berikut:

U DSTM
U DGM
(6.7)
keterangan:
UDSTM = Nilai puncak tegangan impuls yang terbaca pada alat ukur
DSTM (kV)
UDGM
= Nilai tegangan searah pada alat ukur DGM (kV)
Materi Praktikum Tegangan Tinggi
Halaman - 27