BAB II TEGANGAN TINGGI 2.1 Umum Pengukuran tegangan tinggi

BAB II
TEGANGAN TINGGI
2.1 Umum
Pengukuran tegangan tinggi berbeda dengan pengukuran tegangan rendah,
sehingga perlu penjelasan khusus mengenai pengukuran ini. Ada tiga jenis tegangan
tinggi yang akan diukur dalam pengujian tegangan tinggi, yaitu tegangan tinggi
bolak-balik, tegangan tinggi searah, dan tegangan tinggi impuls. Pengujian tegangan
tinggi pada umumnya diperlukan untuk mengetahui apakah peralatan tegangan tinggi
yang diuji masih memenuhi standar kualitas dan kebutuhan yang dispesifikasikan pada
peralatan tersebut.
Lingkup studi teknik tegangan tinggi mencakup semua masalah seperti studi
tentang korona, teknik isolasi, tegangan lebih pada sistem tenaga listrik, proteksi
tegangan lebih, dan lain-lain. Dengan begitu banyaknya masalah yang mencakup
tegangan tinggi, maka dibutuhkanlah pengujian tegangan tinggi dengan maksud sebagai
berikut:
1. Untuk meneliti sifat-sifat listrik dielektrik yang baru ditemukan, sebagai usaha dalam
menemukan bahan isolasi yang lebih murah.
2. Untuk verifikasi hasil rancangan isolasi baru, yaitu hasil rancangan yang telah
dikurangi volume isolasinya.
Universitas Sumatera Utara
3. Untuk memeriksa kualitas peralatan sebelum terpasang, hal ini dilakukan untuk
menghindarkan kerugian bagi pemakai peralatan.
4. Untuk memeriksa kualitas peralatan setelah beroperasi dalam rangka mengurangi
kerugian semasa pemeliharaan.
Perlunya pengujian tegangan tinggi seperti diuraikan di atas menuntut adanya
cabang studi tegangan tinggi yang membahas khusus pengujian tegangan tinggi. Studi ini
akan mempelajari cara kerja dan karakteristik peralatan-peralatan uji tegangan tinggi dan
prosedur pengujian yang telah distandarisasi.
Adapun peralatan-peralatan yang dibutuhkan untuk pengujian tegangan tinggi
adalah:
1. Pembangkit tegangan tinggi yang terdiri atas: pembangkit tegangan tinggi ac,
pembangkit tegangan tinggi dc, dan pembangkit tegangan tinggi impuls.
2. Alat ukur tegangan tinggi yang terdiri atas alat ukur tegangan tinggi dc, alat ukur
tegangan tinggi ac, dan alat ukur tegangan tinggi impuls.
3. Alat pengukur sifat listrik dielektrik, antara lain alat ukur rugi-rugi dielektrik, alat ukur
tahanan isolasi, alat ukur konduktivitas, dan alat ukur peluahan parsial.
Universitas Sumatera Utara
2.2 Tegangan Tinggi AC
Dalam laboratorium diperlukan tegangan tinggi bolak-balik untuk percobaan dan
pengujian dengan arus bolak-balik serta untuk membangkitkan tegangan tinggi searah
dan pulsa. Trafo uji yang biasa digunakan untuk keperluan tersebut memiliki daya yang
lebih rendah serta perbandingan belitan yang jauh lebih besar daripada trafo daya. Arus
primer biasanya disulang dengan ototrafo sedangkan untuk kasus khusus disulang dengan
pembangkit sinkron.
Hampir semua pengujian dan percobaan dengan tegangan tinggi bolak-balik
mensyaratkan nilai tegangan yang teliti. Hal tersebut umumnya hanya akan terpenuhi jika
pengukuran dilakukan pada sisi tegangan tinggi; untuk itu telah disusun berbagai cara
dalam mengukur tegangan tinggi bolak-balik.
Bentuk V(t) untuk tegangan tinggi bolak-balik sering menyimpang dari bentuk sinus.
Dalam teknik tegangan tinggi, nilai puncak Vˆ dan nilai efektif Vef memiliki arti yang
sangat penting :
T
Vrms
1
=
V 2 (t ) dt
∫
T 0
∧
Untuk pengujian tegangan tinggi besaran
V
2
didefinisikan sebagai tegangan uji. Di
sini diandaikan bahwa penyimpangan bentuk tegangan tinggi dari bentuk sinus masih
∧
dalam batas yang diijinkan. Untuk sinusoidal murni
V
2
= Vrms
Universitas Sumatera Utara
2.3 Mekanisme Terjadinya Tegangan Tembus Listrik
Suatu dielektrik tidak mempunyai elektron-elektron bebas, melainkan elektronelektron yang terikat pada inti atom unsur yang membentuk dielektrik tersebut. Setiap
dielektrik mempunyai batas kekuatan untuk memikul terpaan elektrik. Pada gambar 2.1
ditunjukkan suatu bahan dielektrik yang ditempatkan di antara dua elektroda piring
sejajar. Bila elektroda diberi tegangan searah V, maka timbul medan elektrik (E) di dalam
dielektrik. Medan elektrik ini memberi gaya kepada electron-elektron agar terlepas dari
ikatannya dan menjadi electron bebas. Dengan kata lain, medan elektrik merupakan suatu
beban yang menekan dielektrik agar berubah sifat menjadi konduktor. Jika terpaan
elektrik yang dipikulnya melebihi batas tersebut dan terpaan berlangsung cukup lama,
maka dielektrik akan menghantar arus atau gagal melaksanakan fungsinya sebagai
isolator. Dalam hal ini dielektrik disebut tembus listrik atau “breakdown”. Terpaan
elektrik tertinggi yang dapat dipikul suatu dielektrik tanpa menimbulkan dielektrik
tembus listrik disebut kekuatan dielektrik. Jika suatu dielektrik mempunyai kekuatan
dielektrik E k , maka terpaan elektrik yang dapat dipikulnya adalah ≤ E k .
Jika terpaan elektrik yang dipikul dielektrik melebihi E k , maka di dalam
dielektrik akan terjadi proses ionisasi berantai yang akhirnya dapat membuat dielektrik
mengalami tembus listrik. Proses ini membutuhkan waktu dan lamanya tidak tentu tetapi
bersifat statistik. Waktu yang dibutuhkan sejak mulai terjadi ionisasi sampai terjadi
tembus listrik disebut waktu tunda tembus (time lag). Jadi tidak selamanya terpaan
elektrik dapat menimbulkan tembus listrik, tetapi ada dua syarat yang harus dipenuhi,
yaitu: (1) terpaan elektrik yang dipikul dielektrik harus lebih besar atau sama dengan
Universitas Sumatera Utara
kekuatan dielektriknya dan (2) lama terpaan elektrik berlangsung lebih besar atau sama
dengan waktu tunda tembus.
Tegangan yang menyebabkan dielektrik tersebut tembus listrik disebut tegangan
tembus atau breakdown voltage. Tegangan tembus adalah besar tegangan yang
menimbulkan terpaan elektrik pada dielektrik sama dengan atau lebih besar daripada
kekuatan dielektriknya.
+
V
Elektroda
E
-
Dielektrik
Elektroda
Gambar 2.1. Medan elektrik dalam Dielektrik
Universitas Sumatera Utara
BAB III
ELEKTRODA BOLA
3.1 Umum
Pengukuran tegangan tinggi dengan elektroda bola pada kenyataannya
dipengaruhi beberapa hal, salah satunya adalah keadaan udara. Dalam prakteknya,
keadaan udara saat pengujian tidak selalu sama dengan keadaan standar. Oleh karena itu
hasil pengukuran pada keadaan udara sembarang adalah sebagai berikut :
^
^
V =δVS
dimana :
^
V
= Tegangan sela bola pada saat pengujian (keadaan udara
sembarang)
^
Vs
= Tegangan tembus sela bola standar
δ
= faktor koreksi udara
Faktor koreksi udara tergantung kepada suhu dan tekanan udara, besarnya adalah sebagai
berikut :
Universitas Sumatera Utara
δ=
0,386 p
273 + θ
dimana:
θ
= temperatur udara ( 0 C )
p
= tekanan udara (mmHg)
Sebenarnya kelembapan udara juga mempengaruhi tegangan tembus sela bola.
Jika hal ini diperhitungkan maka tegangan tembus elektroda bola menjadi sebagai berikut
:
^
^
V=
δ Vs
kh
Dimana k h adalah faktor koreksi yang tergantung pada kelembapan udara.
Elektroda bola standar dibuat dengan dua bola logam yang memiliki
diameter D
yang identik dan memiliki kaki penopang, alat pengoperasian, dan isolator pendukung.
Elektroda tersebut biasanya terbuat dari tembaga, kuningan, atau aluminium yang
belakangan ini banyak digunakan karena biayanya lebih murah. Diameter standar untuk
elektroda bola-bola tersebut yang adalah 2,5,10,12,15,25,50,75,100,150, dan 200cm.
Jarak-jarak itu dirancang dan dipilih seperti itu agar flashover terjadi di dekat titik percik.
Elektroda-elektroda itu dirancang dan diproduksi dengan hati-hati sehingga
permukaannya lembut dan memiliki kelengkungan yang seragam/sama. Jari-jari
kelengkungan diukur dengan sebuah spherometer di titik-titik yang bervariasi pada area
Universitas Sumatera Utara
yang ditutup oleh sebuah lingkaran 0,3D mengelilingi titik percik tidak boleh berbeda
lebih ± 2% dari nilai nominal. Permukaan bola harus bersih dari debu, minyak, atau
pelapis lainnya. Permukaan elektroda harus dipertahankan tetap bersih tetapi tidak perlu
dipoles. Jika ada lubang yang terjadi akibat tembus listrik yang berulang-ulang maka
elektroda harus dibersihkan.
Untuk memperoleh ketelitian yang tinggi, hal-hal ini diperhatikan :
1.
Jarak sela s< D
2.
Jarak sela > 5 % jari-jari elektroda
3.
Permukaan elektroda tidak boleh berdebu
4.
Elektroda harus licin ( jangan dibersihkan dengan
pembersih yang kasar)
5.
Jarak benda disekitar elektroda >(0,25+ V/300)m.
6.
Untuk mencegah osilasi saat percikan , sebuah resistor
yang tahanannya > 500 ohm diserikan degan elektroda bola.
Konduktor tegangan tinggi juga dirancang sehingga tidak mempengaruhi konfigurasi
medan listrik. Sebuah tahanan seri biasanya dihubungkan di antara sumber listrik dan
elektroda bola untuk membatasi arus yang terjadi akibat tegangan tembus dan juga
memperkecil osilasi yang tidak diinginkan pada sumber tegangan listrik ketika terjadi
tegangan tembus (pada kasus tegangan impuls). Nilai resistansi seri bervariasi mulai dari
100 sampai 1000 kΩ untuk ac dan tidak lebih dari 500 Ω pada kasus tegangan impuls.
Pada kasus pengukuran tegangan puncak ac dan tegangan dc, tegangan yang diberikan
dinaikkan secara teratur sampai terjadi tembus listrik pada sela bola.
Universitas Sumatera Utara
3.2 Pengukuran Tegangan Tinggi Dengan Elektroda Bola Standar
Elektroda bola standar digunakan untuk mengukur tegangan tinggi bolak-balik,
tegangan tinggi searah, dan tegangan tinggi impuls. Diameter elektroda bola terdiri atas
beberapa ukuran standar, antara lain: 2 cm, 10 cm, 50 cm, bahkan ada yang berukuran
sampai 200 cm. Pada keadaan udara standar, yaitu temperatur udara 20 0 C , tekanan
udara 760 mmHg, dan kelembapan mutlak 11 gr m 3 , tegangan tembus sela bola standar
untuk berbagai jarak sela bola adalah tetap. Pada umumnya sela bola lebih sering
digunakan untuk pengukuran tegangan tinggi daripada sela dengan medan yang homogen
maupun sela batang. Pada beberapa kasus tertentu sela dengan medan yang homogen dan
sela batang juga digunakan, namun ketelitiannya kurang. Tegangan tembus sela bola
khususnya, tidak tergantung pada bentuk gelombang tegangan tinggi dan oleh sebab itu
sangat cocok untuk semua jenis bentuk gelombang dari tegangan dc sampai impuls untuk
kenaikan waktu yang singkat
( kenaikan waktu ≥ 0,5 µs ). Sela bola juga dapat
digunakan untuk pengukuran tegangan puncak ac pada frekuensi radio (di atas 1 MHz).
Sela bola dibuat dari dua buah bola logam yang identik dengan diameter D dan
memiliki alat untuk mengoperasikan dan isolator pendukung. Sela bola dapat disusun
(1) secara horizontal dengan kedua sela bola dihubungkan pada sumber tegangan atau
salah satunya dibumikan atau (2) secara vertical dengan sela bola yang lebih rendah atau
letaknya di bawah dibumikan.
Universitas Sumatera Utara
3.2.1 Pengukuran Dengan Susunan Elektroda Bola Secara Horizontal
Pada pengukuran dengan susunan elektroda bola secara horizontal, biasanya
disusun dengan kedua bola simetris pada tegangan tinggi di atas permukaan tanah. Kedua
bola yang digunakan harus memiliki bentuk dan ukuran yang identik. Bentuk susunan
elektroda bola secara horizontal dapat ditunjukkan pada gambar 3.1. Susunan horisontal
digunakan untuk diameter D < 50 cm dengan rentang tegangan yang lebih rendah
sedangkan untuk diameter yang lebih besar digunakan susunan vertikal yang mengukur
besar tegangan terhadap bumi. Tegangan yang akan diukur dilewatkan antara kedua sela
bola dan jarak atau sela S diantara kedua bola tersebut memberikan suatu ukuran dari
besarnya tegangan tembus.
Pada kasus nilai tegangan puncak ac dan pengukuran tegangan dc, tegangan yang
dipakai secara keseluruhan dinaikkan sampai terjadi tembus listrik pada sela bola.
D
S
Gambar 3.1. Susunan Elektroda Bola Secara Horisontal
Universitas Sumatera Utara
3.2.2 Pengukuran Dengan Susunan Elektroda Bola Secara Vertikal
Susunan elektroda bola secara vertikal lebih sering digunakan pada pengukuran
tegangan tinggi. Berbeda dengan elektroda yang disusun secara horizontal yang lebih
sering digunakan pada pengukuran tegangan yang relative lebih rendah. Bentuk susunan
elektroda bola secara vertikal dapat dilihat pada gambar 3.2. Isolasi yang menopang bola
di bagian atas harus berjarak kurang dari 0,5 D dengan D adalah diameter. Elektroda bola
itu disokong oleh sebuah kaki logam yang bersifat konduktif yang tidak lebih dari 0,2 D
dan paling sedikit sebesar D( sehingga titik percik sekurang-kurangnya berjarak 2 D dari
ujung yang lebih rendah isolator bagian atas).
Tegangan tinggi harus tidak boleh lewat dekat dengan elektroda yang ada di atas.
Idealnya tegangan tersebut harus dialirkan dari kaki elektroda menjauh melalui sebuah
bidang datar yang tegak lurus dengan kaki paling tidak 1 D dari elektroda. Elektroda yang
terletak di bawah harus berjarak paling sedikit 1,5 D di atas permukaan tanah.
D
S
Gambar 3.2. Susunan Elektroda Bola Secara Vertikal
Universitas Sumatera Utara
3.3. Pengaruh Objek Sekitar Terhadap Pengukuran Elektroda Bola-Bola
Ada beberapa faktor yang mempengaruhi tegangan tembus pada pengukuran
dengan elektroda bola diantaranya adalah:
(1) objek di sekitar elektroda bola,
(2) kondisi dan kelembapan udara,
(3) penyinaran dengan ultra-violet atau sinar x,
(4) polaritas dan kenaikan waktu gelombang tegangan.
Tugas Akhir ini membahas bagaimana pengaruh keberadaan objek-objek di sekitar
elektroda bola terhadap pengukuran tegangan tinggi dengan menggunakan elektroda
bola-bola. Pengaruh jarak objek sekitar terhadap elektroda bola diperlihatkan pada
gambar 3.3.
Elektroda
Bola
Objek
Sekitar
Gambar 3.3. Objek disekitar elektroda bola
Universitas Sumatera Utara
Jika objek sekitar diletakkan pada jarak tertentu dengan elektroda bola maka akan
terbentuk kapasitansi antara elektroda bola dengan objek yang ada di sekitar seperti pada
plat sejajar seperti pada gambar 3.4.
Gambar 3.4. Kapasitansi antara elektroda bola dengan objek sekitar
Besar kapasitansi yang terbentuk adalah:
C= ε
Dimana :
A
d
A = luas permukaan bola
ε = permitivitas hampa udara 8.825 x 10.12
d = jarak bola dengan objek sekitar.
C= kapasitansi
Universitas Sumatera Utara
Kapasitansi yang terbentuk antara objek sekitar dengan elektroda bola mempengaruhi
tegangan tembus pada selabola. Yang disebabkan oleh medan .listrik dari elektroda bola
ke objek sekitar. Jika jarak elektroda bola dengan objek sekitar semakin besar maka
kapasitansi yang terbentuk antara elektroda dengan objek semakin kecil, maka arus bocor
yang terbentuk antara elektroda bola ke objek juga semakin kecil.
3.3.1. Distribusi Medan Listrik dari Elektroda Bola ke Objek Sekitar
Ukuran terpaan elektrik pada suatu dielektrik ialah kuat medan elektrik yang
sangat penting untuk ditentukan dalam teknologi tegangan tinggi. Yang dimaksudkan
dengan ketahanan elektrik dari suatu bahan isolasi ialah nilai kuat medan yang masih
diijinkan pada kondisi-kondisi tertentu seperti misalnya jenis tegangan, tempo penerpaan,
suhu atau kelengkungan elektroda. Batas ketahanan elektrik medium isolasi akan tercapai
jika nilai kuat medan tembus bahan tersebut telah terlampaui pada sembarang titik.
Karena itu maka penentuan kuat medan maksimum memiliki arti yang sangat penting.
Lintasan garis-garis medan elektrik ditentukan oleh arah kuat medan elektrik E.
Garis-garis medan tersebut ortogonal terhadap garis-garis ekipotensial pada setiap titik
dan tegak lurus pula terhadap permukaan elektroda. Jika pada bidang batas antara dua
dielektrik tidak terdapat muatan-muatan permukaan maka komponen normal kuat medan
berbanding terbalik dengan konstanta dielektrik bahan isolasi. Di sisi lain komponen
tangensial dari kuat medan elektrik bernilai kontinu di sepanjang bidang batas.
Universitas Sumatera Utara
∆Q
ekuipotensial
∆Q
∆ϕ
b
a
garis medan
Objek sekitar
Elektroda
Bola
Gambar 3.5 Contoh untuk medan dua dimensi dengan garis medan dan garis
ekuipotensial
Daerah yang dicakup oleh garis-garis medan yang berdekatan (lihat gambar 3.5)
memiliki fluksi elektrik yang sama sebesar ∆ Q = bl ε r ε o E dengan l adalah panjang
konfigurasi yang tegak lurus terhadap bidang dan ε r ε o = ε adalah konstanta dielektrik
dari medium dielektrik. Jika perbedaan potensial (yang konstan) antara dua garis
ekipotensial yang berdekatan diganti dengan E ( ingat ∆ϕ = E a ) maka diperoleh kondisi
berikut:
εr
b
= k.
a
Universitas Sumatera Utara
Konstanta dapat dipilih sembarang. Dalam contoh yang diberikan, diandaikan b/a = 1.
Dengan menyatakan jarak antara dua garis ekipotensial yang berdekatan pada sembarang
titik adalah a, maka kuat medan elektrik pada titik tersebut adalah:
E1 =
∆ϕ
.
a1
Jika m adalah jumlah garis ekipotensial yang digambarkan(tidak termasuk permukaan
elektroda), maka tegangan total yang diterapkan adalah:
V = (m + 1)∆ϕ .
Jika garis medan yang digambarkan antara elektroda-elektroda ialah n, maka fluksi
elektrik total dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:
Q = nb1 l ε o ε r E1 .
Dengan substitusi yang sesuai maka diperoleh kapasitansi konfigurasi sebagai berikut:
C=
Q
n
k lε o .
=
V m +1
3.3.2. Distribusi Tegangan akibat Pengaruh Jarak Objek Sekitar terhadap
Elektroda Bola
Pengaruh objek di sekitar elektroda bola dapat diumpamakan dengan
memasukkan elektroda bola ke dalam silinder yang mempunyai diameter B. Diamati
bahwa terjadi penurunan tegangan tembus . Penurunan itu sebesar
∆V = m log (B/D) + C (7.21)
dimana
Universitas Sumatera Utara
∆V = penurunan persentase,
B = diameter silinder ,
D = diameter bola,
S = jarak sela bola, m dan C adalah konstanta
Penurunan ini kurang dari 2% untuk S/D ≤ 0,5 danB/D ≥ 0.8. Bahkan untuk S/D ≈ 1,0
dan B/D ≥ 1.0 pengurangan itu hanya 3%. Oleh karena itulah, jika spesifikasi tentang
kelonggaran erat diamati kesalahannya dalam toleransi dan akurasi ditetapkan.
Universitas Sumatera Utara