BAB 1 PEMBANGKITAN DAN PENGUKURAN TEGANGAN TINGGI AC

BAB 1

PEMBANGKITAN DAN PENGUKURAN TEGANGAN TINGGI AC

1.1 Tujuan

Tegangan tinggi bolak-balik diperlukan antara lain untuk pengujian rugi-rugi dielektrik, pengujian korona, pengujian kekuatan dielektrik dan pengujian ketahanan peralatan terhadap tegangan tinggi bolak-balik. Selain untuk pengujian, tegangan tinggi bolak-balik dibutuhkan juga untuk membangkitkan tegangan tegangan searah dan pembangkitan tegangan tinggi impuls. Untuk membangkitkan tegangan tinggi AC digunakan trafo uji. Tujuan percobaan adalah :

1) Untuk menentukan hubungan antara tegangan primer dengan tegangan sekunder trafo uji agar dapat ditentukan besar tegangan primer trafo uji untuk membangkitkan tegangan tinggi yang dibutuhkan. Sebagai contoh berapa besar tegangan primer trafo uji untuk membangkitkan tegangan 57 kv/50 Hz?

2) Membandingkan hasil pengukuran dari berbagai alat ukur tegangan tinggi AC.

3) Menentukan faktor “k” dari trafo uji.

1.2 Teori

Adapun teori-teori percobaan pembangkitan dan pengukuran tegangan tinggi AC sebagai berikut :

1.2.1 Trafo Uji

Trafo uji adalah transformator penaik tegangan yang digunakan untuk menghasilkan tegangan tinggi. Bentuk tegangan yang dapat dihasilkan oleh transformator uji adalah tegangan arus bolak-balik, tegangan arus searah dan tegangan tinggi impuls. Belitan primer trafo uji yang berkapasitas sampai 100 KVA dihubungkan ke sumber tegangan rendah AC, umumnya 220 V atau 440 V, frekuensi 50 Hz. Untuk trafo uji berkapasitas lebih besar, tegangan primernya lebih tinggi yaitu 3,3 kV, 6,6 Kv atau 11 Kv. Pada belitan sekundernya dibangkitkan tegangan tinggi dalam ratusan kilovolt. Saat ini, satu

unit trafo uji sudah ada yang dapat membangkitkan tegangan 500 kV dengan tegangan primer 500 V. ¹

Bagian utama trafo uji adalah isolasi yang digunakan untuk mengisolir kumparan tegangan tinggi. Fungsi sistem isolasi pada suatu trafo uji adalah :

a. Mengisolasi belitan tegangan tinggi dengan inti

b. Mengisolasi belitan tegangan tinggi dengan belitan tegangan rendah c. Mengisolasi belitan tegangan tinggi dengan tangka trafo uji

d. Mengisolasi belitan tegangan rendah dengan inti

Isolasi ini dirancang agar mampu memikul tegangan maksimum yang dibangkitkan pada belitan sekunder trafo uji dan mampu memikul tegangan- lebih transien yang timbul jika terminal belitan sekunder trafo uji terhubung singkat. Biaya pembuatan suatu trafo uji ditentukan oleh biaya material isolasi tersebut. Oleh karena itu, volume material isolasi yang digunakan suatu trafo uji harus diusahakan seminimum mungkin. Jumlah dan jenis isolasi yang digunakan pada suatu peralatan listrik tergantung pada kuat medan elektrik yang terjadi pada peralatan tersebut. Kuat medan elektrik pada suatu sistem isolasi sebanding dengan tegangan yang dipikul sistem isolasi.

Tebal isolasi yang digunakan pada trafo uji sebanding dengan terpaan elektrik yang dipikul isolasi tersebut. Jika kuat medan elektrik yang dipikul suatu isolasi semakin besar, maka isolasi harus semakin tebal sehingga volume isolasi yang dibutuhkan semakin banyak. Oleh karena itu, kuat medan elektrik pada sistem isolasi trafo uji harus diusahakan sekecil mungkin agar isolasi yang digunakan juga sesedikit mungkin. Konstruksi lilitan dan isolasinya harus dirancang sedemikian rupa sehingga dihasilkan terpaaan elektrik merata.²

Ketika pengujian berlangsung, objek uji sering diuji hingga mengalami tembus listrik. Jika objek uji mengalami tembus listrik, terminal keluaran trafo uji menjadi terhubung singkat sehingga belitan trafo uji mengalir arus hubung singkat dan isolasi belitan trafo uji mengalami tegangan lebih transien. Karena

1 Bonggas L. Tobing, Dasar-dasar Teknik Pengujian Tegangan Tinggi, edisi ke-3. (Jakarta: Erlangga, 2017), 44.

2 Bonggas L. Tobing, Dasar-dasar Teknik Pengujian Tegangan Tinggi, edisi ke-3. (Jakarta: Erlangga,

itu, konstruksi belitan trafo uji dirancang agar mampu memikul gaya mekanis akibat arus hubung singkat tersebut dan sistem isolasi belitan dirancang agar mampu memikul tekanan elektrik akibat tegangan lebih transien yang timbul ketika terminal belitan sekunder trafo uji terhubung singkat.

Karakteristik trafo uji berbeda dengan trafo daya. Pada trafo daya berlaku hubungan seperti pada persamaan 1.1 berikut ini :

𝐕_𝟐= 𝐕_𝟏

𝐚 . . . (1.1) Dimana :

a = Perbandingan belitan primer dan sekunder V1 = Tegangan primer

V2 = Tegangan sekunder

Jika besar a diketahui maka tegangan pada sekunder trafo dapat dihitung dengan mengukur tegangan di sisi primer. Pada trafo uji, persamaan 1.1 diatas tidak dapat digunakan, karena diperlukan ketelitian sehingga pengaruh kapasitansi belitan trafo uji diperhitungkan.

Hubungan antara primer dan sekunder trafo uji pada persamaan 1.2 berikut ini :

𝐕_𝟐= 𝐕_𝟏 𝟏 − 𝐤

. . . (1.2)

Dimana k adalah konstanta yang besarnya ditentukan oleh kapasitansi antar belitan trafo uji.

1.2.2 Pengukuran Tegangan Tinggi AC

Pengukuran tegangan tinggi bolak-balik dapat dilakukan dengan berbagai cara diantaranya :

a. Metode Sela Bola Standar b. Metode Chubb-Fortesque

c. Metode Pembagi Tegangan Kapasitif d. Metode Pembagi Tegangan Resistif

Metode - metode tersebut akan diuraikan sebagai berikut :

a. Metode Sela Bola Standar

Selain untuk pengukuran tegangan tinggi AC, pengukuran tegangan cara ini dapat juga digunakan untuk melakukan pengukuran tegangan tinggi searah dan tegangan tinggi impuls. Tegangan tembus sela bola standar untuk berbagai jarak sela, pada kondisi udara 20^oC dan tekanan udara 760 mmHg sudah diketahui pada tabel standar. Apabila sela bola mengalami tembus udara pada suhu sembarang T dan tekanan udara sembarang P maka tegangan aktual yang terjadi pada sela bola itu dapat ditentukan dengan cara sebagai berikut :

1. Ukur jarak sela bola diberi (s cm)

2. Cari tegangan tembus standar (𝑉𝑠) untuk jarak sela s cm berdasarkan tabel standar.

3. Hitunglah faktor koreksinya menggunakan rumus yang ditunjukkan pada persamaan 1.3 berikut ini :

𝛅 = 𝟎, 𝟑𝟖𝟔𝐏

𝟐𝟑𝟑 + 𝐓 . . . (1.3) Dimana :

δ = Faktor koreksi

P = Tekanan udara (mmHg) T = Suhu udara (^OC)

4. Tegangan pada sela bola adalah V = δ Vs

Adapun gambar elektroda bola ditunjukkan pada Gambar 1.1 berikut ini

Gambar 1. 1 Elektroda Bola

b.

Metode Chubb & Fortesque

Rangkaian Chubb and Fortesque untuk pengukuran tegangan tinggi AC adalah seperti ditunjukkan oleh Gambar 1.2. Komponen utama pengukuran ini adalah kapasitor tegangan tinggi (C), dioda anti paralel D1 dan D2, alat ukur arus (mA) dan frekuensi meter.

Gambar 1. 2 Rangkaian Chubb & Fortesque

Dalam pengukuran ini, yang diukur adalah arus pemuat (I). Hubungan arus ini dengan tegangan yang diukur ditunjukkan pada persamaan 1.4 berikut ini :

𝐕 = 𝐈

𝟐𝒇𝑪 . . . (1.4) Dimana :

V = Tegangan pada terminal (kV)

f = Frekuensi tegangan yang diukur (Hz) C = Kapasitansi kapasitor tegangan tinggi (uF)

c.

Metode Pembagi Tegangan Kapasitif

Selain untuk pengukuran tegangan tinggi AC, pembagi tegangan ini juga dapat dipakai untuk percobaan dan pengukuran tegangan tinggi impuls.

Komponen pada pengukuran pembagi tegangan kapasitif terdiri dari kapasitor

tegangan tinggi Ch dan kapasitor tegangan rendah Cl yang keduanya dihubungkan seri. Adapun rangkaian yang digunakan pada metode tegangan kapasitif ditunjukkan pada Gambar 1.3 berikut ini

Untuk menghitung Vx dan ku dapat menggunakan persamaan 1.5 dan 1.6 berikut ini :

Vx = Vu𝐂𝐡+𝐂𝐥

𝐂𝐡 = kuVu . . . (1.5)

Ku =^{𝑪𝒉+𝑪𝒍}

𝑪𝒉

. . . (1.6)

Dimana:

Vx = Tegangan yang diukur

Vu = Tegangan yang ditunjukkan alat ukur Ch = Kapasitor tegangan tinggi

Cl = Kapasitor tegangan rendah

Gambar 1. 3 Rangkaian Tegangan Kapasitif

Ku = Faktor pengali tegangan

d. Metode Pembagi Tegangan Resistif

Komponen pengukuran ini terdiri dari resistor tegangan tinggi Rh dan resistor tegangan rendah Rl yang keduanya dihubungkan seri. Alat ukur tegangan rendah dihubungkan paralel dengan resistor Rl seperti pada Gambar 1.4 berikut ini

Gambar 1. 4 Rangkaian Tegangan Resistif

Untuk menghitung Vx dan ku dapat menggunakan persamaan 1.6 dan 1.7 berikut ini :

Vx = Vu𝐑𝐡+𝐑𝐥

𝐑𝐡 = kuVu . . . (1.7) Ku =^{𝐑𝐡+𝐑𝐥}

𝐑𝐡 . . . (1.8) Dimana:

Rh = Resistor tegangan tinggi Rl = Resistor tegangan rendah³

3 Hendra Zulkarnain, Mhd Fahmi Syawali Rizki, Modul Praktikum Teknik Tegangan Tinggi. (Medan:

2019), 1-4.

1.3 Peralatan Percobaan

Adapun peralatan percobaan pembangkitan dan pengukuran tegangan tinggi AC sebagai berikut :

1. Trafo uji AC/DC 220 V/ 100 KV 1 set

2. Resistor Peredam (10 Mohm) 1 unit

3. Elektroda bola standar (d= 5 cm) 1 pasang 4. Multimeter 1 unit 5. Termometer/Barometer Digital 1 unit 1.4 Rangkaian dan Prosedur Percobaan

Adapun rangkaian percobaanya adalah seperti pada Gambar 1.5 berikut ini :

Adapun prosedur percobaan pembangkitan dan pengukuran tegangan tinggi AC dengan elektroda bola sebagai berikut :

1. Suhu dan tekanan udara diukur dan faktor koreksi dihitung.

2. Mula-mula jarak sela bola dibuat 0,8 cm. Dari tabel standar ditentukan tegangan tembus bola untuk jarak sela 0,8 cm misalkan Vs sehingga pada saat sela bola tembus listrik maka tegangan antara sela bola pada saat itu adalah : V2 = δ Vs. 3. Saklar utama S1 ditutup dan AT diatur hingga tegangan keluarannya nol.

4. Kemudian saklar sekunder S2 ditutup.

Gambar 1. 5 Rangkaian Pengukuran dengan Elektroda Bola

5. Input tegangan TU dinaikkan secara bertahap sampai terjadi percikan pada sela bola. Terjadinya percikan bertanda bahwa tegangan yang dibangkitkan sudah mencapai V2.

6. Pada saat yang bersamaan, tegangan primer trafo uji dicatat, misalkan V1. 7. Saklar utama S1 dan saklar sekunder S2 dibuka. Prosedur di atas diulang empat

kali lagi sehingga diperoleh lima harga V1 untuk menghasilkan V2.

8. Setelah prosedur di atas selesai, dilakukan lagi pengukuran untuk jarak sela bola 1 cm, 1,2 cm dan 1,4 cm.

9. Hasil pengukuran disusun dibuat dalam Tabel 1.1 seperti berikut.

t =...C p =... mmHg 𝛿 = ...

Tabel 1.1 Data Percobaan Pengukuran Tegangan Tinggi AC

S (cm) Vs

(kV)

V2

(kV)

V1 (kV)

1 2 3 4 5 Rata-Rata

0,8

1,0

1,2

1,4

10. Harga rata-rata tegangan primer trafo uji (V1) dihitung, sehingga diperoleh data yang menyatakan hubungan tegangan primer dengan tegangan sekunder.

11. Setelah percobaan selesai sampai jarak s terakhir, saklar primer dibuka.

Pastikan autotrafo sudah menunjukkan bertegangan 0 sebelum dipadamkan.

1.5 Data Percobaan

Adapun data percobaan pembangkitan dan pengukuran tegangan tinggi AC dengan elektroda bola dapat dilihat pada Tabel 1.2 berikut ini :

t = 30^oC p = 750 mmHg 𝛿 = 0,95

Tabel 1. 2Data Percobaan Pengukuran Tegangan Tinggi AC S (cm) Vs

(kV)

V2

(kV)

V1 (kV)

1 2 3 4 5 Rata-Rata

0,8 26 24,7 16 17 18 16 17 16,8

1,0 31,7 30,115 17 20 20 21 21 19,8

1,2 37,4 35,53 23 22 23 23 24 23

1,4 42,9 43,85 25 26 26 27 27 26,2

1.6 Analisa Data

Adapun analisa data percobaan pembangkitan dan pengukuran tegangan tinggi AC dengan elektroda bola berikut ini :

a = 2,2 x 10^-3

1. Pada saat kondisi S1 = 0,8 cm Vs = 26 kV

V2 = δ Vs

= 0,95 x 26 kV

= 24,7 kV V11 = 16 kV V12 = 17 kV V13 = 18 kV V14 = 16 kV V15 = 17 kV

Vrata-rata = V11 + V12 + V13 + V14 + V15 5

= 16 kV + 17 kV + 18 kV + 16 kV + 17 kV 5

= ^84kV

5

= 16,8 kV

K =1 − ^16,8

= 0,69

2. Pada saat kondisi S2 = 1,0 cm Vs = 31,7 kV

V2 = δ Vs

= 0,95 x 31,7 kV

= 30,115 kV V21 = 17 kV V22 = 20 kV V23 = 20 kV V24 = 21 kV V25 = 21 kV

Vrata-rata = V21 + V22 + V23 + V24 + V25 5

= 17 kV + 20 kV + 20 kV + 21 kV + 21 kV 5

= ^99kV

5

= 19,8 Kv

K2 = 1 − ^19,8

2,2𝑥10⁻³ . 30,115 𝑥10³

= 0,702

3. Pada saat kondisi S3 = 1,2 cm Vs = 37,4 kV

V2 = δ Vs

= 0,95 x 37,4 kV

= 35,53 kV V31 = 23 kV V32 = 22 kV V33 = 23 kV V34 = 23 kV

V35 = 24 kV

Vrata-rata = V31 + V32 + V33 + V34 + V35 5

= 23 kV + 22 kV + 23 kV + 23 kV + 24 kV 5

= ^{115 kV}

5

= 23 kV

K3 = 1 − ²³

2,2𝑥10⁻³ . 35,53𝑥10³

= 0,705

4. Pada saat kondisi S4 = 1,4 cm Vs = 42,9 kV

V2 = δ Vs

= 0,95 x 42,9 kV

= 40,755 kV V41 = 25 kV V42 = 26 kV V43 = 26 kV V44 = 27 kV V45 = 27 kV

Vrata-rata = V41 + V42 + V43 + V44 + V45 5

= 25 kV + 26 kV + 26 kV + 27 kV + 27 kV 5

= ^{131 kV}

5

= 26,2 kV

K4 = 1 − ^26,2

2,2𝑥10⁻³ . 40,755𝑥10³

= 0,707

1.7 Kesimpulan

Adapun kesimpulan pada pembangkitan dan pengukuran tegangan tinggi AC dengan elektroda bola berikut ini :

1. Pada percobaan bab 1 ini, trafo uji digunakan untuk menentukan hubungan antara tegangan primer dengan tegangan sekunder agar dapat ditentukan besar tegangan primer untuk membangkitkan tegangan tinggi gelombang bolak-balik yang dibutuhkan.

2. Percikan diantara dua sela elektroda bola menandakan bahwa tegangan yang dibangkitkan sudah mencapai V2.

3. Semakin jauh jarak diantara dua sela elektroda bola menyebabkan tegangan primer (V1) semakin tinggi.