RANCANGAN SISTEM DETEKSI ARUS LUCUTAN PLASMA
PULSA
Wirjoadi, Bambang Siswanto, Lely Susita RM, Sudjatmoko
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan – BATAN Jl. Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb 55010 Yogyakarta E-mail : [email protected]
ABSTRAK
RANCANGAN SISTEM DETEKSI ARUS LUCUTAN PLASMA PULSA. Telah dilakukan perancangan sistem deteksi arus lucutan plasma pulsa. Rancangan ini digunakan untuk mengukur arus lucut pada sistem Sumber Elektron Berbasis Katode Plasma (SEBKP). Sistem yang dirancang berupa koil tertutup, mengitari sumbu arus lucut yang dideteksi, juga sering disebut sebagai koil Rogowski. Koil ini menangkap medan magnet induksi dari arus listrik. Medan magnet induksi akan memberikan tegangan setelah melewati integrator. Dengan mengukur tegangan ini, maka dapat diketahui besar arus lucut plasmanya. Rancangan sistem tergantung kepada lebar pulsa dan besarnya arus. Besar arus akan menentukan jumlah lilitan dan luas kumparan yang dirancang, sedangkan lebar pulsa menentukan sub-sistem integrator yang dirancang. Berdasarkan pada sistem SEBKP yang telah dirancang, maka arus busur plasma yang diharapkan sebesar 100 A dengan lebar pulsa 100 µdetik, maka untuk koil yang dirancang dengan n = 2.000 dan luas permukaan koil 1,26 × 10-4 m2, yang dipasang dengan jarak 3 cm dari sumbu arus, dengan tetapan
integrator sebesar 300 µdetik, akan diperoleh tegangan keluaran koil sebesar 17 mV.
Kata kunci: Plasma, pulsa, lucutan plasma, koil Rogowski
ABSTRACT
DESIGN OF CURRENT DETECTION SYSTEM FOR PULSED PLASMA DISCHARGE. Design of current detection system for pulsed plasma discharge has been done. This design used to measure discharge current of Electron Source Based on Plasma Cathode system. The designed system is a closed coil around its detected discharge current axis, usually called Rogowski coil. This coil catch up induction magnetic field of electrical current. This induction magnetic field will give a voltage after pass through an integrator. By measuring its voltage, it is known its plasma discharge current. The design depends on its pulse width and value of its current. The current value will determine the number and area of coil, meanwhile its pulse width will determine its integrator sub-system. Based on the design of Electron Source Based on Plasma Cathode, the expected current is 100 A and its pulse width is 100 µs, so for designed coil with n = 2.000 and coil area of 1,26 × 10-4 m2, and if the distance of this coil is 3 cm from current axis, and its integrator constant RC is
300 µs, than the output voltage of 17 mV will be achieved.
Keywords: Plasma, pulse, plasma current, Rogowski coil
PENDAHULUAN
alam sistem diagnostik dan deteksi elektron pada sumber elektron katoda plasma terdapat peralatan yang paling sederhana dan efektif sebagai alat pengukur arus tidak langsung yaitu teknik koil Rogowski yang pada umumnya dapat digunakan untuk mengukur arus yang sangat besar dalam orde sekitar ratusan kilo-ampere. Teknik koil Rogowski ini memiliki banyak keunggulan yang melebihi dari alat ukur arus
iron-cored dan memberikan pengukuran lebih tepat pada
beberapa perubahan parameter. Dari berbagai
macam aplikasi industri memerlukan persyaratan arus transduser AC yang dapat dibandingkan dengan parameter seperti akurasi, linieritas, lebar-pita (bandwidth) dan lainnya, memerlukan persyaratan yang berorientasi aplikasi, seperti isolasi galvanik yang tinggi, ketidak-rataan, dll. Sayangnya tidak ada yang tersedia secara komersial arus transduser AC yang mampu memenuhi ketentuan yang diperlukan di atas. D. Ward dan J. Exton[1] menunjukkan bahwa koil Rogowski memiliki kinerja yang lebih baik dalam berbagai penggunaan bila dibandingkan dengan peralatan pengukur arus lainnya.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 14, November 2012 : 177 - 183
178 Peralatan sistem diagnostik dan deteksi
elektron bekerja pada prinsip hukum Faraday induksi elekromagnet. Sebuah udara berintikan kumparan model toroidal ditempatkan di sekitar konduktor pembawa arus. Periode waktu tergantung pada medan magnetik yang dihasilkan oleh arus yang menginduksi tegangan dalam kumparan. Koil induktor secara efektif saling digabungkan ke konduktor yang diukur dan tegangan output dari kumparan adalah sebanding dengan laju perubahan arus. Kombinasi kumparan atau koil dan integrator sangat sederhana untuk sistem pengukuran arus. Salah satu sifat paling penting dari sebuah sistem pengukuran koil Rogowski adalah inhern linier. Koil tidak mengandung komponen yang dapat jenuh
(saturable) dan output meningkat linier sebanding
dengan arus sampai batas operasi yang ditentukan oleh tegangan dadal. Integrator adalah linier untuk jangka waktu panjang yang jauh lebih kecil dari waktu RC-nya konstan. Linieritas membuat koil Rogowski mudah untuk mengkalibrasi karena transduser dapat dikalibrasi pada setiap tingkat arus dan kalibrasi akan akurat untuk semua nilai arus.
Output dari integrator dapat digunakan dalam segala
bentuk elektronik dan menunjukkan perangkat yang memiliki impedansi besar.
Tujuan penelitian yang dilakukan adalah melakukan rancangbangun sistem deteksi arus lucutan plasma pulsa dan sasarannya adalah sistem deteksi tersebut dapat digunakan untuk mengukur arus lucutan pada sistem Sumber Elektron Berbasis Katoda Plasma. Sistem deteksi arus lucutan plasma pulsa yang dirancang berupa koil tertutup mengitari sumbu arus lucutan yang dideteksi atau disebut sebagai koil Rogowski. Koil ini menangkap medan magnet induksi dari arus listrik, dan medan magnet induksi akan memberikan tegangan setelah melewati integrator. Dengan mengukur tegangan ini maka dapat diketahui besarnya arus lucutan plasma.
TEORI DASAR KOIL ROGOWSKI
Koil Rogowski mempunyai prinsip kerja menangkap medan magnet di dalam ruang di sekitar konduktor yang dialiri arus. Jika kita membuat sebuah rangkaian koil tertutup yang mengitari arus tersebut, maka menurut hukum Ampere integral tertutup medan magnet di dalam rangkaian tersebut sama dengan besarnya arus tanpa memandang bagaimana bentuk lintasan rangkaian tertutup tersebut. Secara matematik dirumuskan sebagai berikut :I dl B.cosα. =µ0
∫
(1)dimana dl adalah elemen kecil panjang dari rangkaian tertutup, B adalah medan magnet induksi,
α adalah sudut yang dibentuk antara arah medan dan
arah sumbu elemen rangkaian.
Gambar 1 menunjukkan koil berbentuk heliks dengan n adalah jumlah lilitan per meter dan
A adalah luas penampang koil yang mengelilingi
arus I, jumlah lilitan sepanjang dl adalah n.dl, Untuk bentuk melingkar tertutup medan magnet induksi B menjadi r I B π µ 2 0 =
(2)
Fluks magnet direlasikan dengan I r A n n A B π µ 2 0 = = Φ (3)
Gambar 1. Koil Rogowski berupa rangkaian tertutup yang mengelilingi arus I.
Tegangan luaran koil dirumuskan sebagai laju perubahan fluks, t d I d r A n t d d vluarankoil π µ 2 0 − = Φ − = (4)
Dengan demikian tampak bahwa tegangan luaran koil Rogowski di samping tergantung pada besarnya arus, juga tergantung kepada jumlah lilitan, luas permukaan koil dan jarak dari sumbu arus.
Jika dikenakan rangkaian integrator RC (pasif ataupun aktif) pada koil untuk melengkapi peran transduser (koil) untuk memberikan tegangan yang mereproduksi bentuk gelombang arusnya seperti diperlihatkan Gambar 2, maka persamaan (4) menjadi RC I r A n t d l d r A n t d d vluarankoil π µ π µ 2 2 0 0 = − = Φ − = (5)
Gambar 2. Rangkaian setara koil Rogowski dengan integrator pasif.
Berdasarkan persamaan (5) maka tegangan luaran kumparan setelah melewati integrator berbanding lurus dengan arus, jumlah lilitan, luas permukaan koil dan berbanding terbalik dengan jarak sumbu arus dengan sumbu koil serta komponen integratornya.
Karakteristik Koil Rogowski
Sensor arus berbasis koil Rogowski adalah sistem pengukuran inovatif yang akan ditawarkan untuk digunakan dengan menghormati pada sistem konvensional berbasis pada transformer dengan inti magnetik. Penggunaannya telah meningkat baru-baru ini dalam aplikasi pada Power Electronics, Proteksi Relay atau dalam Transien. Karakteristik utama dari sensor ini adalah linearitas, besarnya rentangan dan lebar-pita. Jadi sensor ini dapat digunakan dalam bentuk aplikasi baru yang terkait dengan arus tinggi pada sistem non-sinusoidal. Koil Rogowski adalah kumparan yang terdistribusi secara merata pada nonmagnetik inti mengelilingi konduktor pembawa arus yang akan diukur, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Model koil Rogowski.
Beberapa keunggulan koil Rogowski adalah sbb: • Mempunyai lebar-pita yang cukup besar.
• Mampu mengukur arus sampai beberapa ratusan hingga kilo-ampere.
• Linearitas yang baik karena kumparan didukung secara material non magnetik.
• Tidak ada kejenuhan, sehingga kumparan tidak rusak oleh tambahan arus.
Adapun kekurangan koil Rogowski adalah output tegangan sebanding dengan turunan dari arus yang melintasi kumparan dan untuk mendapatkan sinyal yang asli, output harus diintegrasikan dengan integrator.
TATA KERJA
Koil Rogowski yang dirancang digunakan untuk mengukur arus lucut dari generator plasma serta arus elektron saat elektron ditarik tegangan pemercepat pada sistem Sumber Elektron Berbasis Katode Plasma tipe DUET seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Namun pada kesempatan ini yang dibahas hanya arus lucut dari generator plasma saja. Seperti diketahui bahwa pada tipe DUET ini plasma dibentuk di bejana plasma oleh dua sistem elektrode generator plasma sebelah kiri dan kanan. Sistem elektrode generator plasma dapat menghasilkan plasma dalam bejana plasma pada saat sistem ignitor membentuk spot plasma di permukaan katode magnesium dan spot plasma ini menginisiasi lucutan plasma dari lucutan sumber daya generator plasma, seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Arus lucut plasma dari sumber daya generator plasma ini yang akan diukur dengan koil Rogowski. Karena lucutan plasma terbentuk oleh dua sumber daya generator plasma, maka koil Rogowski yang dirancang juga ada dua buah. Karena kedua sumber daya generator plasma mempunyai karakteristik dalam satu bejana silinder plasma, maka koil yang dirancang juga harus persis sama.
Saat sumber daya pemicu bekerja (5), maka generator akan mengirimkan pulsa tegangan tinggi melalui anoda (2) dan selanjutnya melalui permukaan keramik (8) sampai di katoda (1), dan terbentuk nyala percikan di katoda (3), selanjutnya sumber daya pelucutan busur (6) akan meneruskan pulsa nyala percikan di katoda (3) menjadi plasma di ruang anoda, terbentuklah pelucutan plasma (4).
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 14, November 2012 : 177 - 183
180
Gambar 4. Sumber elektron sistem dua sumber “DUET”.
Gambar 5. Pembentukan plasma pada sistem lucutan busur hampa yang diawali dengan pembentukan spot plasma di permukaan katode oleh sumber daya ignitor dan kemudian terbentuk lucutan busur plasma oleh sumber daya generator plasma; 1. katoda; 2. anoda; 3. nyala percikan di katoda; 4. plasma; 5. sumber daya pemicu lucutan; 6. sumber daya untuk lucutan busur hampa; 7. elektroda pemicu; dan 8. cincin keramik.
Berdasarkan rancangan, sumber daya igniter memberikan tegangan luaran sekitar 10 kV dengan lebar pulsa sekitar 4 µdetik, sedangkan sumber daya generator plasma memberikan tegangan luaran
sekitar 1 kV dan arus lucut plasma busur yang diharapkan sekitar 100 A dengan lebar pulsa sekitar 100 µdetik.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Berdasarkan persamaan (5) dapat disusun perkiraan tegangan luaran dari integrator pasif untuk beberapa kondisi seperti ditunjukkan pada Tabel 1 dan Tabel 2.
Dari Tabel 1, tampaklah bahwa untuk n yang sedikit dan luas permukaan koil yang kecil akan menimbulkan masalah tegangan keluaran yang sangat rendah oleh karena itu dengan integrator pasif tampaknya tidak memungkinkan, maka seyogyanya koil Rogowski dihubungkan dengan
integrator aktif, misalkan untuk arus 100 A, maka dari Tabel 1 tegangan keluaran koil hanya 3,36 × 10-4 V. Sedangkan bila jumlah lilitan dinaikkan misalkan menjadi 2.000 dan luas permukaan dibesarkan sampai 10 kali lipat untuk arus 100 A, seperti ditunjukkan Tabel 2, diperoleh tegangan keluaran koil sebesar 1,7 × 10-2
V, dan nilai sebesar ini masih dapat dibaca melalui osiloskop, tanpa melalui integrator aktif.
Dalam uji coba komponen generator plasma, diperoleh lucutan busur plasma dan pulsa tegangan seperti ditunjukkan pada Gambar 6.
Tabel 1. Tegangan luaran koil untuk berbagai nilai arus I.
Arus I (A) n A (m2) r (m) RC (detik) V keluaran koil (volt)
5 400 1,26E-05 3,00E-02 3,00E-04 1,67E-05
10 400 1,26E-05 3,00E-02 3,00E-04 3,36E-05
20 400 1,26E-05 3,00E-02 3,00E-04 6,72E-05
40 400 1,26E-05 3,00E-02 3,00E-04 1,34E-04
50 400 1,26E-05 3,00E-02 3,00E-04 1,68E-04
80 400 1,26E-05 3,00E-02 3,00E-04 2,69E-04
100 400 1,26E-05 3,00E-02 3,00E-04 3,36E-04
Tabel 2. Tegangan luaran koil untuk berbagai arus dengan nilai n dan A diperbesar. Arus I (A) n A (m2) r (m) RC (detik) V keluaran koil (volt)
5 2.000 1,26E-04 3,00E-02 3,00E-04 8,40E-04
10 2.000 1,26E-04 3,00E-02 3,00E-04 1,68E-03
20 2.000 1,26E-04 3,00E-02 3,00E-04 3,36E-03
40 2.000 1,26E-04 3,00E-02 3,00E-04 6,72E-03
50 2.000 1,26E-04 3,00E-02 3,00E-04 8,40E-03
80 2.000 1,26E-04 3,00E-02 3,00E-04 1,34E-02
100 2.000 1,26E-04 3,00E-02 3,00E-04 1,68E-02
Catatan :
Besarnya tetapan integrator RC diambil 300 µdetik sekitar 3 kali lebar pulsa dari lucutan plasma, berdasarkan persyaratan besarnya RC harus lebih besar dari lebar pulsa.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 14, November 2012 : 177 - 183
182 (a) Lucutan busur plasma. (b) Pulsa tegangan.
Gambar 6. Foto rekaman hasil eksperimen uji coba komponen generator plasma dan tegangan ADPS pada osiloskop dengan basis waktu 2 mdetik dan basis tegangan 2V, pembagi tegangan 100 kali.
Gambar 6 (a) menunjukkan terjadinya lucutan busur dalam bejana plasma yang tampak adanya nyala pada bagian dalam bejana, dan lebar pulsa tegangan ditunjukkan Gambar 6 (b). Lebar pulsa tegangan ADPS τ pada Osiloskop menunjukkan 5 skala dan setiap skala 2 mdetik, sehingga lebar pulsa τ = 5 × 2 = 10 mdetik, jauh lebih besar dari yang dirancang sebesar 100 µdetik. Dengan data di atas dapat diperkirakan besarnya hambatan ρL yang dapat diperoleh berdasarkan
persamaan 1 2 , 2 ρLnC τ = (6)
Dengan = 10, = 1 µF, adalah jumlah loop, maka dapat diperoleh nilai yaitu
Ω = = × × = = − − 45,45 2 , 2 10 10 10 2 , 2 10 2 , 2 3 6 2 1 C n L τ ρ (7)
Berdasarkan gambar di atas, tegangan lucut sekitar 200 V, maka arus lucut plasmanya I sekitar
A 4 , 4 45 , 45200 = = = L V I ρ
Nilai I ini jauh lebih kecil dari yang dirancang dari rancangan awal sebesar 100 A, dan dengan arus sebesar itu, tegangan keluaran koil untuk jumlah lilitan 2.000 dan luas permukaan koil 1,26 × 10-4
m2, hanya sebesar 7,4 × 10-6
V, sehingga untuk men-deteksinya haruslah digunakan integrator aktif.
Untuk mendapatkan koil dengan jumlah lilitan yang sangat besar dapat dilakukan dengan melilitkan koil lapis ke-2 di atas lapisan pertama, kemudian bila dipandang masih kurang dapat ditingkatkan menjadi beberapa lapis. Untuk memperoleh luas permukaan koil yang besar dapat digunakan kabel koaksial RG 8 yang mempunyai diameter hampir 1 cm.
Gambar 7. Koil Rogowski 1 lapis.
KESIMPULAN
Berdasarkan pada hasil dan pembahasan tersebut di atas dapat diambil kesimpulan sebagai berikut. Sistem yang dirancang berupa koil tertutup, mengitari sumbu arus lucut yang dideteksi. Koil ini menangkap medan magnet induksi dari arus listrik.
Rancangan sistem tergantung kepada lebar pulsa dan besarnya arus. Besar arus akan menentukan jumlah lilitan dan luas kumparan yang dirancang, sedangkan lebar pulsa menentukan sub-sistem integrator yang dirancang. Berdasarkan pada sistem SEBKP yang dirancang, maka arus busur plasma yang diharapkan sebesar 100 A dengan lebar pulsa 100 µdetik, maka untuk koil yang dirancang dengan n = 2.000 dan luas permukaan koil 1,26 × 10-4
m2, yang dipasang dengan jarak 3 cm dari sumbu arus, dengan tetapan integrator sebesar 300 µdetik, akan diperoleh tegangan keluaran koil sebesar 17 mV.
UCAPAN TERIMA KASIH
Dengan ini kami sebagai penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada Drs. Widdi Usada selaku narasumber, serta Sdr. Slamet Riyadi dan Sdr. Ihwanul Aziz yang telah membantu teknis pelaksanaan rancangan sistem deteksi arus lucutan plasma ini, terutama pada saat melakukan pembuatan konstruksi koil Rogowski, proses eksperimen, pengambilan data dan foto hasil eksperimen. Semoga segala bantuan dan amal budi baik Saudara mendapat balasan dari Allah SWT, Amien.
DAFTAR PUSTAKA
[1] D. A. WARD AND J. LA T. EXON, Using
Rogowski Coils for Transient Current Measurements, Enginering Science and
Education Journal, June 1993, page 105-113. [2] SLAWOMIR TUMANSKI, Induction Coil
Sensors–A Review, Institute of Electrical
Theory & Measurement, ul Koszykowa 75, 00-661 Warsaw, Poland, E-mail: tusla@iem. pw.edu.pl, MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY, Meas. Sci. Technol. 18 (2007) R31–R46.
[3] G. M. HASHMI AND M. LEHTONEN, Effect
of Rogowski Coil and Covered-Conductor
Parameters on the Performance of PD Measurements in Overhead Distribution Networks, International Journal Innovations in
Energy Systems and Power, Vol.4 no.2, October 2009, page 14-34.
[4] M. REZAEE AND H. HEYDARI, Design
Modification of Rogowski Coil for Current Measurement in Low Frequency, Iranian
Journal of Electrical & Electronic Enginering, Vol 6, No. 4, Dec. 2010.
[5] G. CROTTI, D. GIORDANO, A. MORANDO,
Analysis of Rogowski Coil BehaviorUnder Non Ideal Measurement Conditions, XIX IMEKO
World Congress Fundamental and Applied Metrology, September 6-11 2009, Lisbon Portugal.
[6] M. ISA, N.I ELKALASHY, N. TARHUNI, G.M. HASHMI, M. LEHTONEN,
Experi-mental Evaluation of Rogowski coil Perfor-mance for Locating PD in Energized Overhead Covered-conductor Feeder, Proceedings of the
14th International Middle East Power Systems Conference (MEPCON’10), Cairo University, Egypt, December 19-21, 2010, paper ID 239, page 572-577.
[7] G. MURTAZA HASHMI; MATTI LEH-TONEN; ABDELSALAM ELHAFFAR,
Modeling of Rogowski Coil for On-line PD Monitoring in Covered Conductor Overhead
Distribution Network, 19th
International Conference on Electricity Distribution Vienna, 21-24 May 2007, Page 1-4, Paper No. 0207. [8] F. J. ARCEGA(1), J. A. ARTERO(2), Current
Sensor Based on Rogowski Coil, 1
Departement of Electrical Engineering Universidad de Zaragoza, Maria de Luna, 3- 50018 Zaragoza – Spain, Tfno (00) 976-762169 Fax (00) 34-976-762226, [email protected]; 2Endesa Distribution – ERZ, C/San Miguel 10, 50001 Zaragoza, Tfno (00) 34-976-760000, [email protected].
