PERCOBAAN I
TEGANGAN TEMBUS AC ISOLASI UDARA I.1 Tujuan percobaan
1. Dapat menentukan efisiensi kuat medan tembus udara dengan bermacam – macam sela elektroda dengan jarak sela yang tetap.
2. Dapat menentukan tegangan tembus di udara sebagai fungsi dari diameter bola. 3. Dapat menentukan tegangan tembus udara sebagai fungsi jarak elektroda. I.2 Teori Dasar
Tegangan Tinggi dalam dunia teknik tenaga listrik adalah semua tegangan yang dianggap cukup tinggi oleh para teknisi listrik sehingga diperlukan pengujian dan pengukuran. Standar tegangan tinggi di dunia umumnya berbeda-beda, tergantung kemajuan negaranya masing- masing. Di Indonesia, level tegangan dibagi menjadi 4 macam, yakni : 1. Tegangan Rendah ( 220 – 380 V), 2. Tegangan Menengah (7 – 20 KV), 3. Tegangan Tinggi ( 30 – 150 KV), 4. Tegangan Extra Tinggi ( 500 KV). Untuk Transmisi biasa digunakan Tegangan Tinggi dam Tegangan Extra Tinggi sedangkan distribusi menggunakan Tegangan Rendah dan Menengah. pengujian tegangan tinggi, dengan tujuan antara lain sebagai berikut:
1. Untuk menemukan bahan (di dalam atau yang menjadi komponen suatu alat tegangan tinggi) yang kualitasnya tidak baik, atau yang cara pembuatannya salah.
2. Untuk memberikan jaminan bahwa alat-alat listrik dapat dipakai pada tegangan normalnya untuk waktu yang tak terbatas.
3. Untuk memberikan jaminan bahwa isolasi alat-alat dapat tahan terhadap tegangan lebih untuk waktu terbatas.
I.2.1 Trafo pembangkit tegangan tinggi
Perbandingan jumlah lilitanya lebih besar dari pada trafo daya. Hal ini sebabkan trafo uji yang dipasang pada laboraturium tegangan yang diterapkan dengan tegangan input 127 volt sampai 220 volt sedangkan output yang harus dihasilkan adalah besarnya sampai beberapa ratus ribu volt.
• Kapasitas KVA-nya lebih kecil dibanding dengan trafo daya, karena untuk keperluan lompatan api tidak perlu daya yang besar melainkan tegangan yang besar.
• Trafo yang dipakai biasanya satu phasa, kecuali pada pengujian khusus yang memerlukan trafo tiga phasa.
• Satu ujung lilitannya biasanya ditanam dalam tanah untuk keperluan keamanan dan pengamanan terhadap manusia dan alat ujinya.
• Pada waktu merencanakan isolasi untuk trafo penguji hanya diperhitungkan isolasinya tahan terhadap tegangan penguji yang maksimum.
Rangkaian pelipat ganda Greinacher sebelum adanya diode penyearah tegangan tinggi, maka orang menggunakan generator searah. Sekarang telah ditemukan diode tegangan tinggi sehingga orang dengan mudah untuk menggunakan dan memperoleh tegangan tinggi searah.
Pembangkitan tegangan searah dilaboratorium pada umumnya menggunakan diode semikonduktor tang terpasang seri pada kutub tabung hampa
Berdasarkan sifatnya, pengujian tegangan tinggi dibedakan menjadi pengujian merusak dan tidak merusak.
Pengujian Destruktif ( Merusak ) terdiri dari 3 tahap:
1. Withstand test Pengujian ketahanan Sebuah tegangan tertentu diterapkan untuk waktu tertentu, bila tidak terjadi lompatan api (flashover, disruptive discharge), maka pengujiannya dianggap memuaskan.
3. Breakdown Pengujian kegagalan Tegangan dinaikan sampai terjadi kegagalan (breakdown) di dalam benda (specimen) yang diuji.
4. Pengujian Non Destruktif adalah pengujian yang tidak merusak bahan. Contohnya uji tahanan isolasi, faktor – faktor rugi – rugi dielektrik, korona, konduktivitas, medan elektrik.
Berdasarkan jenis tegangannya, pengujian tegangan tinggi dibagi menjadi 2 jenis, pengujian tegangan tinggi AC dan pengujian tegangan tinggi DC. Untuk tegangan AC, dibedakan berdasarkan frekuensi tinggi atau Frekuensi Rendah..
Pengujian menggunakan tegangan tinggi arus bolak balik frekuensi rendah diperlukan untuk menyelidiki apakah peralatan listrik yang terpasang pada jaringan tegangan tinggi dapat menahan tegangan yang melebihi tegangan operasinya untuk waktu terbatas. Hal ini dilakukan karena tidak selamanya tegangan yang diberikan ke peralatan tersebut stabil. Ada kalanya tegangan yang diberikan melebihi batas nominalnya karena putusnya kawat saluran atau hal lainnya.
Sedangkan tegangan tinggi arus bolak balik dengan frekuensi tinggi diperlukan untuk berbagai macam pengujian, diantaranya adalah untuk menguji adanya kerusakan-kerusakan mekanis (keretakan, kantong udara, dsb) pada isolator terutama isolator porselen.
Isolasi adalah salah bentuk peralatan tegangan tinggi yang berfungsi sebagai tahanan atau pelindung agar tidak terjadi tembus yang tidak diinginkan. Secara umum isolasi dibagi menjadi 3 ( tiga ) macam yaitu padat, cair, dan gas. Kemampuan isolasi menahan tegangan mempunyai batas- batas tertentu sesuai dengan material penyusun dan lingkungan sekitarnya. Apabila tegangan yang diterapkan melebihi kuat medan isolasi maka akan terjadi tembus atau breakdown yang menyebabkan terjadinya aliran arus antara peralatan tegangan tinggi.
elektroda bola homogen digunakan untuk mengetahui tegangan tembus gas antara keduanya jika terjadi perubahan terhadap lingkungan sekitar, selama pengujian isolasi di laboratorium tegangan tinggi. Contoh penggunaan peralatan tegangan tinggi yang menyerupai elektroda jarum adalah archinghorn ( busurapi) yang dipasang di tiap ujung rentang isolator.
Teknik analisis data menggunakan cara analisis data kualitatif interplatif dan analisis statistic secara elementer. Kedua metode ini digunakan sejak awal penelitian dimulai, diantaranya dalam memilih objek, sampel, mengklarifikasikan symbol sehingga kesimpulan akhir penelitian. Analisis data secara statistic digunakan untuk menaksir presentasi tembus yang terjadi. Hasil percobaan menunjukkan bahwa tegangan tembus udara berbanding lurus dengan tekanan, persentase karbondioksida dan kelembaban udara tetapi terbalik dengan kenaikan temperature.
I.2.1 Proses Dasar Ionisasi
a. Pembangkitan ion dengan cara benturan (collision)elektron,
fotoionisasi, ionisasi oleh benturan ion positif,ionisasi termal, pelepasan (detachment) elektron, ionisasikumulatif dan efek γ n sekunder.
b. Kehilangan ion dengan cara penggabungan (attachment)elektron, rekombinasi dan difusi.
I.2.2 Ionisasi karena Benturan Elektron
Jika gradien tegangan yang ada cukup tinggi maka jumlah elektron yang diionisasikan akan lebih banyak dibandingkan dengan jumlah ion yang ditangkap molekul oksigen. Tiap-tiap elektron ini kemudian akan berjalan menuju anoda secara kontinu sambil membuat benturan-benturan yang akan membebaskan electron lebih banyak lagi. Ionisasi karena benturan ini merupakan proses dasar yang penting dalam kegagalan udara atau gas.
Sebuah elektron tunggal yang dibebaskan oleh pengaruhluar pada proses I onisasi tersebut akan menimbulkan banjiran elektron (avalanche), yaitu kelompok elektron yang bertambah secara cepat dan bergerak maju meninggalkan ion positif pada lintasannnya. Proses pelepasan (discharge) pada udara dan gas dapat dibagi menjadi 2 bagian, yaitu pelepasan bertahan sendiri (self sustaining discharge) dan pelepasan tak bertahan sendiri (non sustaining discharge). Dalam hal ini mekanisme kegagalan gas dan udara adalah suatu bentuk transisi dari keadaan pelepasan tak bertahan menuju pelepasan bertahan sendiri.
I.2.3 Mekanisme Kegagalan Gas
Proses kegagalan dalam gas ditandai dengan adanya percikan secara tiba-tiba(spark breakdown), percikan ini dapat terjadi karena adanya pelepasan yang terjadi pada gas tersebut. Mekanisme kegagalan gas yang disebut percikan adalah peralihan dari pelepasan tak bertahan sendiri ke berbagai pelepasan yang bertahan sendiri. Ada dua jenis mekanisme dasar yang berperan yaitu :
2. Mekanisme sekunder, yang memungkinkan terjadinya peningkatan banjiran (avalanche) elektron.
Pada mekanisme primer, proses yang terpenting adalah katoda. Dalam hal ini katoda akan melepas (discharge) elektron, yang akan mengawali terjadinya suatu kegagalan percikan (spark breakdown). Sehingga untuk hal ini elektroda yang mempunyai potensial yang lebih rendah, yaitu katoda akan menjadi elektroda yang melepaskan elektron. Proses dasar yang paling penting dalam kegagalan gas adalah proses ionisasi karena benturan, tetapi proses ini tidak cukup untuk menghasilkan kegagalan. Proses lain yang terjadi dalam kegagalan gas adalah proses atau mekanisme primer dan proses atau mekanisme sekunder. Proses yang terpenting dalam mekanisme primer adalah proses katoda, pada proses ini diawali dengan pelepasan elektron oleh suatu elektroda yang diuji, peristiwa ini akan mengawali terjadinya kegagalan percikan (spark breakdown). Elektroda yang memiliki potensial rendah (katoda) akan menjadi elektroda yang melepaskan elektron. Elektron awal yang dibebaskan (dilepaskan) oleh katoda akan memulai terjadinya banjiran elektron dari permukaan katoda. Jika jumlah elektron yang dibebaskan makin lama makin banyak atau terjadinya peningkatan banjiran.
I.2.4 Mekanisme Townsend
Pada mekanisme primer, medan listrik yang ada di antaraelektroda akan menyebabkan elektroda yang dibebaskanbergerak cepat, sehingga timbul energi yang cukup kuat untuk menimbulkan banjiran elektron.Mekanisme Townsend menjelaskan tentang fenomena kegagalan yang hanya terjadi pada tekanan yangrendahdibawah tekanan atmosfer. Pada tekanan diatas tekanan atmosfer berlaku mekanisme strimer yang mempersyaratkan adanya distorsi medan karena muatan ruang.
I.2.5 Mekanisme Streamer
tersebut menjadi strimer plasma. Sesudah itu kehantaran naik dengan cepat dan kegagalan terjadi dalam alur (channel) banjiran ini.
Ciri utama teori kegagalan strimer, disamping proses ionisasi benturan ( α ) Townsend, adalah postulasi sejumlah besar fotoionisasi molekul gas dalam ruang didepan strimer dan pembesaran medan listrik setempat oleh muatan ruang ion pada ujung strimer, dimana ruangan ini menimbulkan distorsi medan dalam sela. Ion-ion positif dapat dianggap stasioner dibandingkan dengan elektron-elektron yang bergerak lebih cepat, dan banjiran terjadi dalam sela dalam bentuk awan elektron yang membelakangi muatan ruang ion positif.
Ada dua jenis strimer :
1. Positif, atau strimer yang mengarah ke katoda 2. Negatif, atau strimer yang menuju ke anoda
I.2.6 Udara
Udara di alam yang secara umum terdiri dari 78% nitrogen, 21% oksigen, dan 1% uap,karbondioksida,dan gas – gas lainnya. Gas ideal adalah gas – gas yang hanya terdiri dari molekul – molekul netral, s ehingga tidak dapat mengalirkan arus listrik.
I.2.7 Faktor Koreksi Keadaan Udara
Berdasarkan standard IEC Recomendation, Publication 52 dinyatakan bahwa untuk standard sela bola tertentu berlaku suatu tegangan lompatan api tertentu. Dan berdasarkan Japanese Industrial Standard (JIS) C-3801 dan Japanese Electrotechnical Committe, (JEC) standard 106, dinyatakan bahwa :
- Tekanan barometer ... 760 mm Hg / (1018 mbar) - Suhu sekeliling ... 20° C
- Kelembaban mutlak ... 11 gram / m3
I.2.8 Kotak Uji
Kotak uji terbuat dari bahan plastic acrylic. Kotak uji mempunyai dimensi diluar yaitu panjang 60cm, lebar 40cm dan tinggi 80cm. Kotak uji digunakan untuk meletakkan elektroda bola – bola sedang.
I.2.9 Elektroda Bola
Elektroda bola yang digunakan untuk pengukuran tegangan tembus dielektrik udara dibuat dengan menggunakan bahan tembaga dengan diameter 2 cm. jarak elektroda akan mempengaruhi tegangan tembus yang diterapkan pada isolasi gas. Jarak elektroda pada pengujian adalah bervariasi
Gambar I.2 Elektroda Bola I.2.10 Temperatur pengujian
Temperature pengujian didasarkan pada data temperature rata – rata harian dilaboratorium tegangan tinggi teknik elektro UMI, mulai dari 20° - 28°C.
I.3 Alat – Alat yang Digunakan
1. Trafo penguji 220 V/ 100 KV, 5 KVA, 50 Hz, Impedance Voltage 3.8%
2. Control Desk
3. Charging Resistor (R1) 10 Mῼ
4. Measuring capasitor (Cp) 100pF 5. Milliamparameter (mA)
6. Measuring spark Gap (MF)
7. Vessel for Vacum and Pressure (DKU) 8. Vacumpamp
9. Connecting Cup (K) 10. Floor Pedestal (F(s)) 11. Connecting rod (v)
I.5 Prosedur Percobaan
1. Membuat rangkaian instalasi tegangan tinggi sesuai gambar percobaan, baik nilai komponen dan posisi peletakan komponen harus sesuai pada gambar, dengan acuan asisten yang bertugas
2. Setelah instalasi tegangan tinggi sudah selesai, tutup pagar dan tongkat grounding dikeluarkan dari pagar ( pastikan tidak ada manusia, peralatan kerja dan benda – benda yang berpotensi menimbulkan bahaya). Masukkan tegangan pada control desk 220 V.
3. mengaktifkan control desk dengan memutar ke-kanan kunci control switch dan main switch pada control desk.
4. setting jarak sela elektroda dengan sakelar MF sebesar 0.5 Cm.
5. menutup switch primer ON ( S1 ). Memeriksa tegangan pada voltmeter. (pastikan posisi tegangan nol, jika belum turunkan tegangan sampai nol).
6. menutup switch sekunder ON ( S2 ).
8. saat udara pada sela bola tembus, buka switch sekunder ( OFF ). Catat penunjukkan besar tegangan padavoltmeter serta penunjukan arus pada ampermeter.
9. menurunkan regulator tegangan TP sampai nol.
10. membuka switch primer ( OFF ).
11. mengulangi prosedur 6 s/d 9 jarak elektroda 0.5 cm, 1.0 cm, 1.5 cm.
12. Setelah selesai matikan sumber tegangan control desk.
13. ground / tanahkan semua terminal komponen didalam ruang instalasi tegangan tinggi terutama pada capasitor ( Cs) dengan menggunakan tongkat grounding.
14. melakukan prosedur 3 s/d 13 untuk semua susunan elektroda :
a. Bola – bola ( Ground )
b. Jarum – Jarum ( Ground )
c. Plat – Plat ( Ground )
15. Meletakkan tongkat grounding pada trafo pengujian setelah semua percobaan telah Selesai.
I.6 Analisis Hasil Percobaan
A. Tabel pengamatan Elektroda > Elektroda Bola – Bola Sedang
Tabel I.1 Hasil Praktikum elektroda bola – bola
2 1 12,3 15
Pada percobaan ini digunakan trafo uji dengang kapasitas 100 kV, sebanyak 2 (dua) buah yang disusun secara kaskade, jadi tegangan sekunder menjadi 200 kV.
1. Elektroda Bola – Bola Sedang
Menentukan tegangan tembus (Vb) dan tegangan tembus standar (Vbs) pada elektroda dengan berbagai jarak :
= 13,1+12,7+3 12,3 = 12,7 kv
£ = 0,475
Vbs = Vb rata−£ rata
= 0,47512,7 = 26,73 KV Untuk Jarak 1,5 cm
Vb Bola-bola = V1+v2+v3 3
= 14,3+17,63 +17,6 = 16,5kv
£ = 0,475
Vbs = Vb rata−£ rata
= 0,47516,5 = 34,73 KV Untuk Jarak 2 cm
Vb Bola-bola = V1+v2+v3 3
= 26,6+26,0+3 26,0 = 26,3 kv
£ = 0,475
Vbs = Vb rata−£ rata
