Dalam abad modern ini tegangan tinggi banyalc digunakan. untuk berbagai macam kebutuhan seperti sistem

I I . TEORI PENUNJANG

Dalam abad modern ini tegangan tinggi banyalc di- gunakan untuk berbagai macam kebutuhan seperti sistem pembangkitan dan penyaluran listrik di industri dan untuk kebutuhan penyelidikan di laboratorium.

Penggunaan-penggunaan tegangan tinggi pada hal-ha1 yang telah disebutkan di atas menyebabkan makin diperlukannya alat-alat pengaman dan isolasi yang baik untuk me- 1 indungi alat-alat tegangan tinggi yang digunakan dan operator yang mengamankannya. Media lsolasi yang paling sering digunakan saat ini adalah medlum gas, vakum, padat (solid) dan cairan atau kombinasl dari bahan-bahan tersebut.

Untuk menghasi lkan Keandal an yang t lnggl dan hanya yang ekonomis, kita perlu mengetahul sebab-sebab yang menyebabkan terjadlnya kegagalan darl bahan lsolasl dan kecenderungan yang menyebabKan naiknya stress Iistrlk (Kuat medan Iistrlk) untuk merancang alat-alat lsolasi yang balk dalam hubungannya dengan kekuatan dlelektrlk, corono, pelepasan muatan dan ha1 lain yang berhubungan.

1 1 . 1 . KUAT MEDAN LISTRIK (STRESS LISTRIK)

Seperti halnya dalarn suatu rancangan mekanls dl

-

mana kriterla darl rancangan tergantung p a d a keKuatan

mekanls darl bahan dan stress-stress yang terjadl selama

operasl, dalam penggunaan tegangan tinggl, kekuatan dl-

elektrlk darl bahan lsolasl dan kuat rnedan llstrik yang

terbentuk pada isolasi tegangan tinggi merupakan faktor- faktor penting dalam sistem tegangan tinggi.

Dalam tegangan tinggi bahan-bahan penting yang di- gunakan adal ah konduktor dan isolator. Pada saat konduktor dialirl arus, maka pada isolat.or akan timbul medan listrik. Menurut hukum Coulomb, besarnya medan listrik yang tlmbul dapatlah dituliskan sebagai berikut

Atau :

dl mana : €0 = perrnislvltas udara, 6 ,

8 6

x 10-l2 F/m q - besar rnuatan, Coulomb

r = jarak darl tltik yang diukur, meter E = kuat medan l ~ s t r i k , Newton/Coulornb F

^I

gaya Ilstrlk, Newton

Dengan kata laln besarnya suatu medan Ilstrlk adalah gaya ?er-satuan nuatan.

Dan blla klta tlnjau darl perplndahan garls-garls medan llstrlk ( D ) , maka lntensltas medan llstrlk (kuat medan llstrlk) adalah :

D = e . E (2. 3 .

)

dl

mana : e adalah permlslvltas medlum dl mana medan

1 1

strlk berada ( F / m ) .

B e s a r n y a permisivitas u n t u k berbagai medium dapat dilihat p a d a tabel 2. I .

Tabel 2 , I. Tabel e~ ^{d a n} o / w e .

TABLE C.l i n and a/oc

1 1 . 2. P R O S E S IONISASI

~Uoferiul

A i r

A l c o l ~ o l . e l l ~ y l A l u n ~ i n u m oxide /\mber

Ilakelite I h r i u m titanate Carbon dioxide G e r m a n i u n ~ Glass Ice M i c ; ~ Neoprene N y l o n Paper Plexiglas Polyelhylene Polypropylene Polystyrene Porcelain (dry

process) Pyranol Pyrex glass Quartz (fused) Rubber S ~ l i r n o r SiOl

(fused) Silicon Snow

Sodium chloride Soil (dry) Sleatite Slyroloam Tcflon

T i t a n i u m dioxide Water (distilled) Water (sea) Water (dehydrated) Wood (dry)

Seperti t e l a h d i s e b u t k a n dl a t a s , b a h a n yang paling pentlng d i g u n a k a n dl t e g a n g a n t i n g g i a d a l a h isolasl. K e -

( I

1.0006 2 5 8.8 2.7 4.74 1,200 1.001 16 4-7 4.2 5.4 6.6 3.5 3 3.45 2.26 2.25 2.55

6 4.4 4 3.8 2.5-3

3.8 11.8 3.3 5.9 2.8 5.8 1.01 2. I 100 80

I 1.5-4

k u a t a n isolasl dari s u a t u b a h a n isolasi d a p a t l a h di-

ajwc

0. I 0.000 6 0.002 0.022 0.013

0.001 0. I 0.000 6 0.01 1 0.02 0.008 0.04 0.000 2 0.000 3 0.000 05

0.014 0 0 0 0 5 0.000 6 0.000 75 0.002 0 . m 75

0 5 0.000 1 0.07 0.003

' 0.000 1 O.OO0 3 0.001 5 0.04 4 0 0.01

' I ^{Yil lian} H. Hayt, Jr., gngineering Rlectroaagnetic, halaman

508.

definisikan sebagal kuat medan listrik maksimum dl- elektrik yang dapat ditahan oleh bahan. Juga dapat dl- definisikan sebagal tegangan di mana arus mulai naik ke- harga yang sangat tinggi kecuali diatur oleh impedansl

eksternal dari rangkaian. Batas kekuatan bahan i ~ ~ l a ~ l sampai terjadinya "break down", yaitu suatu fenomena/

kejadlan dl mana mutu bahan isolasi turun sehingga isolator berubah menjadi konduktor, tergantung pada ber- bagai macam parameter seperti tekanan, suhu, kelembaban, konfigurasi medan, besarnya tegangan yang dipakai, ke- tldak sempurnaan bahan die1 ektrik (kemurnian bahan) , bahan elektrode, kondi si permukaan e 1 ektrode dan sebagainya. Sebab yang pallng umum dari kegagalan isolasi adalah adanya pelepasan muatan (discharge) balk dalam bahan isolasl maupun pada permukaaan isolasi.

Kemungklnan kegagalan dapat dikurangl blla pelepasan muatan yang demiklan dapat dikurangi pada tegangan kerja normal. Selaln itu kegagalan lsolasi dapat terjadl s e - bagal aklbat darl panas atau "electrochemical deterloratlon", yaitu suatu ke jadlan dl mana blla kabel dlpakal agak lama maka akan tlmbul degradasi yang rne- nyebabkan mutu isolasl turun.

Darl hal-ha1 yang telah dlsrbutkan dl atas telah

dlkatakan bahwa penyebab yang pallng umum dari kegagalan

lsolasl adalah pelepasan muatan atau leblh serlng d i -

sebut sebagal ionlsasl atau loncatan bunga api llstrlk

dalarn medlum gas.

Secara sederhana proses ionlsasi dapatlah diterangkan sebagal berikut :

bl 1 a sebuah e 1 ektrsn bebas berada dal am suatu medan llstrik yang kuat, maka elektron itu akan mengalami suatu gaya dan menyerap energi listrik. Gaya yang dlalami elektron adalah sebesar e. E, di mana e adalah muatan elektron dan E adalah perbedaan tegangan antara dua elektron. Besar energl yang dl- serap oleh elektron tersebut adalah U = e. E. 1 =

1 / 2 m. v 2 , ¹ adalah jarak yang dapat dllalul

elektron sebelum dla membentur elektron lain (free path/jarak bebas). Selama elektron menyerap energl dla akan dipercepat sehlngga memlllkl energl 1/2 m. v2 dlmana m adalah massa elektron dan V adalah kecepatan gerak darl elektron.

Elektron-elektron tersebut bergerak dalarn arah garls medan menuJu ke arah anoda. Dalam perJalanan ke arah anoda e lektron berbenturan dengan no 1 ekul

gas laln. JlKa energl elektron cclkup besar, pada benturan tersebut elektron akan menyebabkan pecah- nya molekul menJadi lon positlf dan negatlf. Dengan cara in1 elektron-elektron baru dan lon-lon posltlf terbentuk. Elektron-elektron In1 kernudlan mernbentuk

S U ~ ~

grup atau suatu badai elektron, dan badal in1

U

kernudlan mencapai anoda. Per

J

a1 anan e 1 ektron ke

anoda terllhat sebagai suatu. arus llstrlk dalam

rangkalan eksternal. Blla arus llstrlk ~ n l menjadi

cukup besar, rnaka dia menghasilkan suatu jalur konduktif diantara elektroda yang menyebabkan ter- jadinya break down dari jarak kedua elektroda (gap)

1 1 . 3 . CORONA DISCHARGED (GEJALA CORONA)

Jika medan listrik uniform, suatu kenaikan tegangan

bertahap diantara suatu sela (gap) menyebabkan break

down pada celah/sela tersebut dalam bentuk suatu loncat-

an apl listrik tanpa suatu pelepasan muatan yang men-

dahuluinya. Sebal lknya

j

ika medan tidak unlf orm, suatu

Kenalkan tegangan akan pertama-tama menyebabkan suatu

pelepasan muatan dalam medlum (gas) untuk muncul pada

tltik-titik yang tajam atau dl mana elektroda-elektroda

terbentuk atau pada kawat-kawat transmlsl. Pembentukan

pelepasan muatan in1 dlsebut corona discharged (ge jal a

corona) dan dapat dlamati sebagal suatu cahaya keblru-

blruan. Fenomena in1 selalu dllkutl oleh suara mendesls

dar, udara yang ada dl sekltar daerah corona berubah men-

jadi ozone. Corona menyebabkan kerugian tenaga yailg

cukup besar pada Kawat-kawat transmisl tegangan tinggl

dan ha1 In1 mengarah pada terjadlnya kawat-kawat

transmisi tegangan tinggi dan ha1 in1 mengarah pada ter-

jadinya deterioration (degradasi) isolasi disebabkan

karena kombinasi dari hujan ion dan bahan campuran klmia

yang terbentuk sel ama pel epasan muatan. Corona juga me-

nyebabkan nalknya ~nterferensi gelombang radio.

Pada konduktor tegangan tinggi pada tekanan tinggi ada suatu perbedaan yang jelas dalam penampilan yang terlihat dari corona pada polaritas positif atau negatif dari tegangan yang digunakan. Sebaliknya, jika tegangan negatif, corona akan tampak seperti cahaya kemerah- merahan yang terdistribusi sepanjang kawat transmisi.

Penye 1 idikan-penye 1 idikan dengan ce 1 ah udara antara elektroda lempeng-runcing (point-plate gaps) di udara menunjukkan bahwa ketika elektroda runcing negatif, corona tampak seperti pulsa-pulsa arus yang disebut

"Pulsa Trichel", dan pengulangan frekuensi dari pulsa- pulsa ini bertambah ketika tegangan dinaikkan dan ber- kurang ketlka tekanan diturunkan. Seballknya penyelidik- an menunjukkan jika elektrode runcing positif di udara rnenunjukkan bahwa arus corona naik secara tetap dengan tegangan. Pada tegangan yang cukup tlnggl, perbesaran arus bertambah dengan cepat dengan tegangan, sampai pada suatu arus berharga kira-kira A, setelah mana arus beruhah men

J

adi pul sa dengan pengulangan frekuensi sekitar 1 KMHz, dltandai dengan ledakan-ledakan kecll.

Bentuk corona semacam lni dlsebut ledakan corona (burst

corona). Arus rata-rata kemudian nalk dengan teratur

t-erhadap tegangan yang diberikan dan rnengarah pada break

down.

Munculnya c o r o n a dan t e g a n g a n b r e a k down d a r i s u s u n a n b o l a - l e m p e n g a n d a p a t d i l i h a t pada gambar 2 . 1 .

-

B R E A * D O W N

1 ^{- - -}

CORONA I N C l P l l O N

Gambar 2 . 1. Gambar k a r a k t e r i s t i k b r e a k down dan permula- a n c o r o n a u n t u k b o l a dengan d i a m e t e r yang h e r b e d a dan b e n t u k l e m p e n g a n - b o l a . 2 )

D a r l gambar I n 1 d a p a t d i l l h a t bahwa :

"

p a d a c e l a h u d a r a yang k e c l l ( d a e r a h I ) medan

u n l f o r m , dan t e g a n g a n b r e a k down s e l u r u h n y a / t e r - utama t e r g a n t u n g p a d a J a r a k c e l a h u d a r a

"

pada c e l a h u d a r a yang cukup b e s a r ( d a e r a h 1 1 ) ,

medan non u n l f o r m dan t e g a n g a n b r e a k down t e r - g a n t u n g pada d i a m e t e r b o l a dan j a r a k c e l a h u d a r a

"

pada c e l a h u d a r a yang b e s a r ( d a e r a h I I I ) , medan

non u n l f o r m d a n b r e a k down d i d a h u l u i o l e h c o r o n a dan d l a t u r h a n y a o l e h jaraK c e l a h u d a r a . Tegangan p e r m u l a a n c o r o n a t e r u t a m a t e r g a n t u n g pada d l a m e t e r b o l a .

Haidu, H. S, and Kanaraju, V. , High Voltage hgineering, halawan

28.

11.4. TEGANGAN SURJA, PENYEBARAN DAN PENGATURANNYA

Rancangan alat-alat sistem tenaga teristimewa pada tegangan tinggi dihentuk oleh keadaan transient mereka.

Keadaan transient tegangan tinggi atau tegangan surja yang dimlliki sistem tenaga dlsebabkan oleh petir dan operas1 switching. Akibat darl tegangan surja in1 ber- bahaya bag1 semua alat-alat sistem tenaga. Realtsl dari suatu alat sistem tenaga terhadap tegangan lmpulse atau tegangan surja tergantung pada kapasitansi diantara be1 itan-be1 itan kumparan dan dltranslent dal a m kumparan sebagal suatu keseluruhan blasanya sangat non-unlform dan sangat rumlt dlsebabkan karena osllasl tegangan gelombang berjalan yang dlbentuk dlantara belltan. Dalam rancangan sesungguhnya darl sebuah alat, tentu saja perlu untuk dlpertlmbangkan perbedaan tegangan maksimum yang terjadl dalam tlap daerah, pada setlap saat setelah ter~adlnya tegangan lmpulse dan untuk dlpertlmbangkan lamanya terutama ketika tegangan tersebut kurang dari satu mlKro sekon.

Suatu percobaan pembebanan darl kekuatan isolasl

dleleKtrlk terhadap frekuensl tegangan tenaga dan

tegangan surja, pada contoh-contoh darl bahan-bahan

dasar, kumpulan-kumpulan yang kurang atau lehlh kompleks

atau pada alat-alat yang lengkap harus mellbatkan

pengujlan-pengujlan tegangan tlnggl. Karena rancangan

dar31 suatu alat-alat llstrlk dldasarkan pada kekuatan

dlelektrlk, rancangan tidak dapat secara seluruhnya di-

andal Ran kecual

i

dlu

J

i dengan secara coba-coba (eksperlmental). Pengujian tegangan tinggl dilakukan dengan menghasi lkan tegangan dan mengukurnya dl sebuah 1 aboratorlum.

Pada suatu rancangan yang Ideal setlap bagian darl dlelektrik akan ditekan secara merata pada harga makslmum dl mana akan dapat ditahan secara aman. Kondisl Ideal yang demikian sulit dicapal dalam praktek untuK dlelektrik-dlelektrik dengan kekuatan Iistrik yang ber- beda, dlsebabkan 01 eh pembatasan-pembatasan darl konstruksi. Bagaimanapun test tersebut memberlkan ke- terangan mengenai faktor konsentrasl stress/tekanan- perbandlngan darl gradlen tegangan lokal maksimum ter- hadap harga rata-rata dalam daerah berdekatan darl stress yang secara relatlf uniform. Suatu survey ter- hadap rancangan alat-alat slstem tenaga yang khas mengusulkan faktor yang berklsar darl dua sampai lima dapat terjadi dalam praktek, blla faktor in1 tinggi, lsolasl In1 dapat dlpakai dalam jumlah banyak.

Blasanya perbaikan dapat dilakukan dengan cara-cara se- bagai berlkut :

"

dengan membentuk konduktor sehlngga mengurangl

konsentrasl stress (tegangan)

"

dengan menempatkan lsolasl dengan kekuatan dl-

elektrlk yang leblh tlnggl pada tltlk-tltlk yang memlllki stress tlnggl

"

dengan memilih alat-alat dengan permlslvltas yang

bersesuaian untuk mendapatkan gradien tegangan yang lebih uniform (merata)

1 1 . 5. P E M B A N G K I T A N TEGANGAN IMPULSE

Seperti telah disebutkan di atas bahwa tegangan lebih transient yang disebabkan oleh petir atau surja hubung (switcing) menyebabkan pembentukan tegangan yang tinggi pada kawat-kawat transmisi dan alat-a1 at 1 istrik 1 ain.

Berdasarkan hasi 1 -hasi 1 penel i tian diketahui bahwa gelombang-gelombang ini rnemiliki waktu naik dari 0 , 2 sampai 10 us dan waktu turun sampai 50

%

dari harga puncak adalah dari orde 30 sampai 200 p s . Bentuk ge 1 ombang-ge 1 ornbang tersebut adal ah berubah-ubah, tetapi kebanyakan identlk (unidirectional). Gelombang tegangan leblh petir, dapat ditunjukkan dengan diwakili sebagai gelombang eksponensial rangkap didefinlsikan dengan per- samaan :

v

²

v j ^[e-at

^-

^{e-8t1 (2.4,}

⁾

di mana : a dan

f3

adalah konstanta-konstanta dari harga mikro sekon.

Persamaan di atas rnewakili suatu gelombang identik yang hlasanya mernpunyal suatu kenaikan yang sangat cepat k e - harga puncak dan secara lambat jatuh ke harga nol.

Bentuk ge lombang yang umum dlherikan _{0 1} eh garnbar 2. 2 .

Gelombang lmpulse dltentukan dengan menetapkan waktu ke-

nalkkan gelombang tersebut atau waktu rnuka, waktu jatuh

atau ekor samapl 50

%

harga puncak, dan harga dari tegangan puncak. Jadl gelombang 1 , 2 / 5 0 ys, 1.000 K V me- waklli suatu gel ombang tegangan lmpul se dengan waktu muka 1 , 2 us, waktu jatuh sampal 50

%

harga puncak adalah 50 us dan harga puncak 1 . 000 KV.

Gambar 2. 2. Gambar bentuk gelombang impulse dan defini- slnya. 3)

Berdasarkan bentuk gel ombang pada garnbar 2 . 2. , harga puncak A dltetapkan dan dltunjuk sebagal harga 100

% .

Tltlk-tltlk yang berhubungan dengan 10

%

dan 9 0

%

darl harga puncaK dlletakkan dl haglan depan (tltlk C dan D) . Garls yang menghubungkan tltik-tltlk in1 dlper- panjang hlngga memotong sumbu waktu pada

O1. 01

dlambll sebagal tltlk no1 yang sebenarnya (titlk n o 1 nominal)

1 , 2 5 waktu lnterval dlantara waktu t i dan t2 berhubungan

dengan tltlk-tltlk C dan _D (proyeksl-proyeksl pada sumbu waktu) dldeflnlslkan sebagal waktu muka, sebagal contoh 1 , 25 ( O l t 2

-

O l t i ) . Tltlk E dltempatkan pada ekor

31 ^Haidu, H. S, and

Kanaraju,

V., High Voltage Bngineering, halanan

112.

gelombang yang berhubungan dengan 50 % dari harga puncak dan proyeksinya pada sumbu waktu adalah tq. Ot4 di- definisikan sebagai waktu jatuh atau waktu ekor. Bila titik C tidak jelas atau hilang dalam gambar di- oskiloskop, titik yang berhubungan dengannya adalah 30

%

dari harga puncak (F) diambil dan proyeksinya t', ter- letak pada surnbu waktu. Waktu muka gelombang dalam ha1 ini akan didefinisikan sebagai 1,67 (Olt3

-

OltiJ).

To1 eransi yang dapat dii jinkan untuk waktu muka dan waktu ekor berturut-turut adalah t ³⁰

^%

dan t 20

%.

Spesifikasi standard India didefinisikan (dltetapkan) 1,2/50 ps sebagai impulse standard. Standard Inggris me- netapakan gelombang 1/50 ps sebagai gelombang impulse standard dan standard Amerika adalah 1,5/40 p s . Sedang toleransi harga puncak adalah t ³ % . Dalam tugas akhir ini penyusun menggunakan standard dar i I EC

(International Electrical Comrnisslon), yaltu 1,2/50 p s .

11. 6. RANGKAIAN-RANGKAIAN UNTUK MENGHASILKAN GELOMBANG' GELOMBANG IMPULSE

Gelombang-gelombang Impulse secara umum dlwaklll

oleh persamaan (2. 4.

)

yang telah diberlkan sebelumnya Vo

dalam persamaan tersebut mewaklll suatu faktor yang ter-

gantung pada harga puncak. Untuk gelombang impulse

1 , 2/50 ps, a

I

-0, 0 4 1 6 ,

f3

= -2, 4 0 7 dan V o = I ,

04

jlka

waktu dlnyatakan dalam us. a dan p mengatur-. waktu muka

dan ekor gelombang secara berturut- turut.

Gambar- 2. 3. Gambar rangkaian untuk mendapatkan gel ombang impulse.

4 ,

Suatu bentuk gelombang eksponenslal rangkap dari Jenis yang disebutkan pada persamaan ( 2 . 4. 1 dapat di- hasilkan di laboratorium dengan suatu kombinasi seri darl rangkaian R-L-C pada kondisi overdamped atau oleh Itombinasi dari dua rangkaian R-C. Rangkaian-rangkaian equivalen yang berbeda untuk menghasilkan gelombang impulse diberikan oleh garnbar 2. 3. a. samapai 2. 3. e.

Dari I-angkaian-rangkaian itu, yang paling sering/umum dipakai adalah rangkaian 2 . 3 . a. sampai 2. 3. d .

4 j Naldu,H. S,

and Kanaraju,V., H~gh Voltage kngineering, halaman

113.

Rangkaian pada gambar 2. 3. a. hanya dibatasi pada mode1 generator saja, dan generator-generator komersial meng- gunakan rangkaian dalam gambar 2. 3. b, sampai 2. 3. d.

Capasitor (Ci atau C) sebelumnya diisi dengan suatu tegangan DC khusus secara tiba-tiba dikosongkan (dibuang muatannya) ke dalam rangkaian pembentuk gelombang (LR, RIR2C2 atau kornbinasi lain) dengan menutup switch S.

Tegangan pembuangan Vg (t) yang ditun jukkan dal am gambar

2 . 3. memberikan kenaikan bentuk gelombang eksponensial

rangkap yang diingini.

11.7. ANALISA RANGKAIAN GENERATOR IMPULSE

Dalam penyusunan tugas akhlr In1 penyusun menggunna- kan rangkaian percobaan gambar 2. 3. b. , jadl penyusun hanya akan membahas anallsa darl rangkalan tersebut. Ke- untungan darl rangkalan In1 adalah bahwa waktu gelombang muka dan ekor secara bebas dlatur dengan menggantl balk R i atau R2 secara terplsah. Kedua, bahan yang

d l i r j l

yang terutama Serslfat kapasltlf dalam bentuk C 2 .

Untuk rangkalan 2. 3. b. tegangar. output pada C 2 dl- berlkan oleh :

1

Dengan transformasl Laplace : I ~ ( s ) = Vo(S) c2 s

dl mana : 12 adalah arus yang melalui C 2

Dengan mengambil arus lewat C1 sebagal I, dan harga transformasinya sebagai I ( s ) :

I

R 2

c2 s

di mana mewaki 1 i impedansi dari kombinasi

i

paralel R 2 dan C 2 . Substltusi dari I i ( s ) memberlkan :

Setelah penyederhanaan dan pengaturan kernbali

:

Karena ~ t u akar-akar dari persamaan tersebut :

Inverse transform dari Vo(s) adalah :

1 1

Biasanya dan akan menjadi jauh lebih kecil

C i R l C 2 R 2

1 dibandingkan

C 2 R 1

Sebab itu, akar-akar tersebut dapat didekati sebagai :

1 1

a

C:

dan

f3

=

R 1 C 2 R 2 C 1

1 1 . 8 . P E N G A T U R A N BENTUK G E L O M B A N G I M P U L S E

Sepertl telah dlsebutkan pada baglan terdahulu, rangkalan generator lmpulse yang pallng banyak dlpakal adalah rangkalan pada gambar 2 . 3. b. dan 2 , 3. c. Harga darl elemen-elemen rangkalan menentukan bentuk gambar/

kurva tegangan lmpulse. Prlnslp kerja dasar darl kedua rangkalan dapat dengan mudah dimengert

1

darl keterangan sederhana berlkut. Waktu yang pendek untuk mencapai harga puncak (waktu muka) membutuhkan penglslan muatan

C 2

yang cepat mencapal harga puncak V J , dan waktu yang

panJang ke ekor (waktu ekor) membutuhkan pembuangan muatan yang lambat.

In1 dtdapat dengan memberlkan R 2 > > R i . Segera setelah

terjadlnya loncatan bunga apl pada s pada saat t =

0 ,

hampir seluruh tegangan pengisian V terjadi pada kombinasi seri R 1 dan C2 pada kedua rangkaian.

Semakin kecil harga R1C2, semakin cepat tegangan Vo(t) mencapai harga puncaknya. Harga puncak V' tidak bisa

lebih besar dari yang ditentukan oleh pemberian muatan awal U 0 C 1 yang mungkin ke C1 + C2.

Untuk faktor efisiensi (utilization factor) q kita dapatkarl :

Karena tegangan penglslan V' yang dlberlkan blasanya dl- buat setlnggl mungkln, orang akan memlllh C l > > C2.

Eksponenslal decay darl tegangan lmpulse pada ekor akan muncul, pada rangkalan a ter jadl dengan konstanta waktu C l ( R l + R 2 ) dan dalam rangkalan b dengan kostanta waktu ClR2.

Energl lmpulse yang dlplndahkan selama pernbuangan muatan adalah :

dl mana

:

W = energi impulse, Joule

C i = hapasitor penglsian, F

V = tegangan puncak, Volt

Jlka tegangan penglslan tertlnggl yang mungkln dlgantl-

ltan untulc V dal am pernyataan inl, klta mendapatkan

energl lmpulse makslmum sebagal suatu parameter

kar-akterlstlk pentlng darl generator tegangan lmpulse.

Dal am k e t e r a n g a n d a r i r a n g k a i a n - r a n g k a i a n 2 . 3 . b. dan 2 . 3 . c . d i a t a s , d i a n g g a p bahwa pada t = 0 k a p a s i t o r - k a p a s i t o r i m p u l s e C i d i i s i sampai s u a t u t e g a n g a n V.

V a d a l a h h a r g a d a r i t e g a n g a n p e n g i s i a n d i mana s e l a S b r e a k down, b a i k s e c a r a s e n d i r i n y a a t a u dengan b a n t u a n a l a t p e l e p a s a n muatan. J a d i u n t u k o p e r a s i p e n y a l a a n s e n d i r i , s u a t u k e n a i k a n h a r g a puncak d a r i tegangan lmpulse V' hanya d a p a t d i h a s i l k a n dengan menambah/me- n a i k k a n j a r a k s e l a S . Dengan h a n y a menaikkan tegangan p e n g l s i a n s e a r a h yang d i p a k a i d i depan t a h a n a n p e n g i s i a n hanya akan membuat p e n g i s i a n ^Ci menjadi l e b i h c e p a t men-

c a p a i V dan

S

akan b r e a k down dengan s e g e r a dalam i n t e r v a l waktu yang l e b i h pendek. Dengan demikian yang akan mengalami pertambahan a d a l a h k e c e p a t a n lmpulsenya dan bukan a m p l i t u d o t e g a n g a n i m p u l s e yang d i h a s i l k a n . Untuk s u a t u t e g a n g a n p e n g i s i a n DC yang d i b e r i k a n , untuk mendapatkan t e g a n g a n l m p u l s e dengan t e g a n g a n puncak s e - t l n g g l mungkln, d l b e r l k a n l ah r a n g k a l a n pengganda o 1 e h E.Marx pada t a h u n 1 9 2 3 , yar?g kemudlan k l t a k e n a l s e b a g a l r a n g k a l a n g e n e r a t o r l m p u l s e Marx. Rangkalan I n 1 s e r l n g - k a l l dlgunakan. Beberapa k a p a s l t o r lmpulse yang sama d l -

l s l s e c a r a s e r l , dengan c a r a d e m l k l a n menghasl l k a n s u a t u

tegangan p e n g l s l a n t o t a l yang b e r g a n d a , s e b a n d l n g dengan

juml ^ah t a h a p . Rangkalan g e n e r a t o r lmpul s e ^Mdf'x d a p a t d l

^-

1 l h a t pada gambar- 2 . 4 , b e r l k u t .

Gambar 2. 4. Garnbar generator lmpul se Marx. 5,

11.

8 .

1 . Perhltungan Rangkalan Tegangan Impulse Satu

Tahap

Untuk racangan rangkalan tegangan Impulse, Perlu untuk mengetahui hubungan antara harga-harga darl elemen rangkalan dan karakterlstlk dari bentuk tegangan,

Persamaan untuk menentukan kurva tegangan impulse :

5, Gal 1 agher, l'.

J.

and Peamalo, A. J., Hlgh Voltage Heasurenent, Testlog and Des~gn, halaman 106.

Terlihat bahwa tegangan impulse diberikan oleh selisih dari dua fungsl eksponensial dengan konstanta waktu Ti dan T2. Gambar 2. 5. menunjuKkan kurva yang mencapai harga puncak V' pada waktu Tcp.

Gambar 2. 5. Gambar penjumlahan dari eksponensial ganda tegangan impulse.

Dengan pendekatan hlasa didapat :

R 2 C I > > R 1 C 2

Untuk rangkalan gambar 2. 3 , b. persamaan umurnnya adalah :

Bentuk gelombang l m p u l s e digambarkan secara unlk oleh T l dan T 2 . K a r a k t e r l s t l k - k a r a k t e r l s t i k gelombang Impulse yang dlhasl lkan juga har3us merupakan fungsl darl T i dan

6j

Dleter Kind, An lntroductlon to High-Voltage Experimental Technique, halaman 31,

T2. Secara u m u m T I > > T2.

Tetapan-tetapan w a k t u T I , T2 d a n k u n t u k gambar 2. 3. b. , 2. 3. c. d a n 2. 3. d. dapat dilihat p a d a tabel 2. 2.

Tabel 2. 2. Tabel h u b u n g a n tetapan-tetapan waktu d a n elemen-elemen rangkaian,ll

1

(A) Ti

:

- RE;^ Cb + (RD + R g ) + {(IRR Cb

t

(RD

t

RE) cs12

^-

4, Rp Rg. Cs Cbj j 2

'1 Etsel, V.

0,

and Gunter,H. , Rerechowg der Elewnte des stoBspannungen, halanan

519,

I I. 9. STANDARD IEC

Ada beberapa standard yang dlgunakan untuk generator impulse dlantaranya adalah VDE, JES dan IEC.

Dalam penyusunan tugas akhir ini penyusun menggunakan standard yang dipakai oleh IEC. Untuk standard IEC di- sebutkan bahwa tegangan impulse standard yang dipakal untuk pengujian di laboratorium adalah tegangan lmpulse dengan perbandingan waktu muka dan waktu ekor 1 , 2 / 5 0 ps.

Dalam penyusunan tugas akhir ini penyusun akan mengguna- kan standard IEC ini.

I I. 10. PRINSIP KERJA GENERATOR IMPULSE

Generator lmpulse adalah suatu alat pengujl yang dlgunakan dl laboratorlum untuk menghasllkan tegangan

impulse. Tegangan Impulse yang terjadl sesungguhnya bermacam-macam, tetapl untuk kepentlngan pengujlan dl- laboratorlum dlarnbll suatu bentuk tegangan lmpulse standard yaltu tegangan yang nalk dalam waktu yang slngkat sekal

1 ,

dlsusul dengan penurunan yang 1 arnbat menuju tltlk no1 dan dapat dlnyatakan dengan persamaan

:

v ⁼ v0 (e-at

-

e-bt)

Secara umum tegangan lmpulse yang dlgunakan untuk

keperluan pengujlan dl laboratorlum dapatlah dlgambarkan

sepert

1

gambar 2. 6 . dl bawah lnl :

-

Gambar 2.6. Gambar tegangan lmpulse yang dlgunakan untuk keperluan penguj ian di 1 aboratorium.

Keterangan gambar 2. 6. :

Vs = tegangan puncak

&

Tt = ekor gelombang = 50 ps Tf = muka gelombang = ^{1 ,} 2

IJS

V' = keleblhan tegangan ( f 0, 0 5 x Vs)

Sepertl telah dlsebutkan dl atas, bahwa dalam penyusunan tugas akhlr In1 penyusun menggunakan standard I. E. C.

(International Electrotechnlcal Cornmislon; dl mana dl- sebutkan bahwa deflnlsl muka gelombang dlambll 30

%

sedang untuk ekor gelornbang adalah 90

% .

Deflnlsl-deflnlsi baglan gelombang lmpulse secara lengkap adalah sebagal berlkut :

"

muka gelombang

:

dldeflnlslkan sebagal haglan darl gelombang yang dl- mulal darl tltlk no1 nomlnal sampal tltlk puncak

"

ekor gelornbang

:

dldeflnlslkan sebagal baglan darl gelombang yang

dlmulal darl tltlk puncak sampal tltlk tltlk setengah

Arimandar, A. , Teknlk Tegangan Tinggl, hala~nan

29.

puncak ge 1 ombang

" titik no1 nominal :

didefinisikan sebagai perpotongan antara sumbu waktu dengan garls lurus yang menghubungkan titik-titlk 30

%

dan 90

%

dari tegangan puncak

"

waktu sampai setengah puncak (time to half value) dari

ekor gelornbang, Tt :

didef inisikan sebagai waktu dari titik no1 nominal sarnpai setengah puncak pada ekor

"

waktu muka gelombang, Tf :

dldeflnislkan sebagal waktu dari tltlk no1 nomlnal sampal puncak gelornbang

"

amplitude (besarnya) osllasl frekuensl tlnggl ( V ' )

pada muka gel ombang menurut standard I. E. C , harus kurang darl 5

%

darl harga puncak dl sekltar puncak

Dalam penyusunan tugas akhlr In1 penyusun menggunakan rangkalan bertahap generator lmpulse Marx sepertl yang dl tuil jukkan o 1 eh gambar 2. 4.

1 1 , 1 1 . P R I N S I P KERJA GENERATOR IMPULSE

Sesual dengan rangkaian gambar 2. 3. b. , ^{dapat lah dl-} llhat bahwa prlnslp kerja darl generator lmpulse secara sederhana dapat 1 ah dinyatakan sebagai ber-lkut :

kapasltor C i dlisi dengan tegangan tlnggi searah

sampal tegangannya naik ke suatu harga V yang cukup

untuk menembus celah bola S. Dengan tembusnya tegangan pada sela bola S, maka muatan-muatan pada C i dibuat secara tiba-tiba dan suatu tegangan impulse akan terjadi pada obyek test, dalam ha1 ini kapasitor C2b. Bentuk gelombang impulse yang terjadi dipengaruhi oleh harga-harga tahanan R2 dan Ri yang menentukan bentuk muka dan ekor gelombang.

Jadi semakin kecil harga R i C i , maka semakin pendek pula waktu multa gel ombang yang dihasi lkan.

1 1 . 1 1 . 1. Prinsip Kerja Rangkaian Tahap Banyak Generator Marx

Untuk menerangkan prlnslp kerja generator tahap banyak In1 klta menggunakan rangkalan gambar 2.4. yaitu rangkalan generator Impulse empat tahap. Sebagai contoh rangkaian gambar 2. 4. ltu dapat dlpecah menjadl dua susun darl berlapls (superimposed), rangkaian penglslan (gambar 2. 7. a.

)

dan rangkalan pelepasan/pembuangan muatan pada gambar 2. 7. b.

Untuk menglsl kapasitor tlap tahap C i sampal

C 4

dlgunakan surnber tegangan tlnggl searah melalui penglslan R , yang umumnya memlllkl harga berklsar antara

1 0 K R sampal 100 KR. Tahanan pembentuk muka dan ekor

gelombang dltunjukkan oleh R 1 dan R 2 , sedang

C 2

adalah kapasltor beban darl generator.

Ketika kapasltor C 1 sampal C4 sudah dllsl penuh

sampal suatu tegangan V dengan polaritas sepertl dl-

tunjukkan oleh gambar 2. 7. a. , arus pengislan berkurang dan bagian keplng kanan dari tlap kapasitor, tahanan pengislan dan bola-bola semuanya pada tegangan tanah/

bum1 .

Dengan sendlrlnya tiap keping klri dan komponen pada pada garnbar 2. 7. a. berada pada suatu potenslal dl atas tanah sama dengan sumber tegangan V. Pelepasan muatan darl generator dltunjukkan dengan adanya break down pada celah bola pertama G i .

Segera setelah ltu kapasltor

C 1

sampal

C 4

dllepas muat- annya secara seri dengan loncatan bunga apl secara ber- tahap pada celah-celah bola yang laln, walaupun untuk praktlsnya loncatan bunga apl dlanggap terjadl secara serempak. Sepertl dlgambarkan pada gambar 2. 7. b.

rangkalan pelepasan muatan dl atas untuk memberlkan tegangan output kumulatlve ke tanah sama dengan jumlah Oar1 tegangan kapasltor-kapasltor secara tersendlrl.

Karena harga tahanan pengislan ilnggl, maka tahanan- t ~ l a n a n In1 dlanggap sebagal rangkalan terbuka (open clrcult) dalam gambar 2. 7. b.

Ketlka sela bola G i break down, urutan-urutan perlstlwa- nya adalah sebagal berlkut :

"

tegangan tltlk A berubah darl V ke nol, ltu adalah

suatu keballkan darl - V

"

memberlkan penglslan pada C i , tegangan dar-1 tit-lk C

harus dengan seger-a beral

lh

darl 0 ke - V

"

pada s a a t i n i p e r b e d a a n t e g a n g a n d i a n t a r a s e l a G 2 ada- l a h 2V dan maka d a r i

i t U

t e r j a d l penembusan t e g a n g a n ( b r e a k down), menyebabkan t i t i k R dan k e p i n g k i r l d a r i C 2 b e r u b a h m e n j a d i - 2 V

"

s e c a r a s e r e n t a k t i t i k E b e r u b a h d a r i -2V, mernberikan

s u a t u t e g a n g a n 3V d i a n t a r a s e l a bo.la G 3 dan menyebab- kan t e r

j

a d i n y a penembusan t e g a n g a n ( b r e a k down).

Urutan l t u t e r u s b e r l a n g s u n g sampal t l t l k J mencapal

t e g a n g a n - 4 V t e r h a d a p bumi. P u l s a o u t p u t a d a l a h b e r -

lawanan dengan p o l a r l t a s t e g a n g a n p e n g l s i a n s e a r a h dan

u n t u k n t a h a p h a r g a puncaknya s e c a r a t e o r i t l s a d a l a h

-nV. Pembuangan muatan d a r l s u a t u g e n e r a t o r n t,ahap

d a p a t d l k u r a n g l m e n j a d l s a t u u n i t s a t u t a h a p dengan m e -

nar-lk r a n g k a l a n e k u l v a l e n n y a s e p e r t l yang t e r l l h a t pada

gambar 2 . 7 . c .

Gambar 2. 7 . Gambar Tangkalan suatu generator empat tahap ( a ) penglslan, ( b ) pelepasan muatan,

( c ) rangkalan ekulvalen. 9,

91 Gallagher,T. J. and P e a m l n , A . J., High Voltage Heasurewnt, Testlng and Design, halanan

101.