Pembangkitan dan Pengukuran Tegangan Tinggi AC

BAB 1

PEMBANGKITAN DAN PENGUKURAN TEGANGAN TINGGI AC

1.1

Tujuan

Sumber tegangan tinggi utama yang diperlukan dalam suatu laboratorium adalah sumber tegangan tinggi arus bolak-balik. Sumber tegangan ini dapat diubah menjadi sumber tegangan tinggi arus searah, sumber tegangan tinggi impulse dan sumber tegangan tinggi bolak-balik dengan frekuensi tinggi [Syamsir Abduh, 2001]. 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 pembangkitan 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.

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

3. Menentukan faktor “k” dari trafo uji.

1.2 Dasar Teori

Dalam pembangkitan dan pengukuran tegangan tinggi AC mencakup berbagai teori- teori yang akan dipaparkan dan dijelaskan di bawah ini sebagai berikut :

1.2.1 Trafo Uji

Transformator merupakan sebuah mesin listrik yang dapat merubah dan mentransfer tenaga listrik dari suatu rangkaian ke rangkaian lainnya dengan cara induksi melalui gabungan elektromagnet pada frekuensi konstan [M. Putri and F. I.

Pasaribu, 2018]. Tegangan tinggi AC umumnya diperoleh dari suatu transformator step-up yang disebut trafo uji, yaitu transformator satu fasa yang faktor transformasinya jauh lebih besar daripada faktor transformasi transformator daya.

Karakterisitk trafo uji berbeda dengan trafo daya. Pada trafo daya berlaku hubungan seperti Persamaan 1.

V2 = ^V1

a……….(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 diatas tidak dapat digunakan, karena diperlukan ketelitian sehingga pengaruh kapasitansi belitan trafo uji diperhitungkan

.

Hubungan antara primer dan sekunder trafo uji ditunjukkan dalam Persamaan 2.

V2 = ^V1

1−k ……….……….(2)

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

Adapun gambar dari trafo uji ditunjukkan dalam Gambar 1

Gambar 1. Trafo Uji 1.2.2 Pengukuran Tegangan Tinggi AC

Pengukuran tegangan tinggi berbeda dengan pengukuran tegangan rendah karena voltmeter konvensional tidak bisa dihubungkan secara langsung keterminal tegangan tinggi yan akan diukur karena selain merusak alat ukur juga sangat membahayakan bagi pengguna voltmeternya [Bobby Hertanto, 2013].

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

1. Metode Sela Bola Standar 2. Metode Chubb-Fortesque

3. Metode Pembagi Tegangan Kapasitif 4. Metode Pembagi Tegangan Resistif

Dari keempat metode diatas, cara yang paling sering digunakan adalah metode dengan elektroda bola. Hal ini desebabkan karena metode ini termasuk paling murah, mudah dan dapat diterapkan untuk range tegangan uji yang luas tanpa merusak alat ukur yang sensitif. Oleh karena itu, pengukuran pada laboratorium teknik tegangan tinggi menggunakan metode ini.

1.2.2.1 Pengukuran Dengan Elektroda 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. Elektroda bola standar terdiri dari dua elektroda bola yang disusun satu sumbu dan jarak kedua elektroda dapat diatur. Udara diantara kedua elektroda disebut sela bola.

[Bonggas L. Tobing, 2017]. Tegangan tembus sela bola standar untuk berbagai jarak sela, pada kondisi udara 20°C 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. Hitung faktor koreksinya menggunakan rumus seperti Persamaan 3.

δ = ^{0,386 𝑝}

233+𝑇 ………(3)

Dimana :

P = tekanan udara (mmHg) T = suhu udara (°C)

4. Tegangan pada sela bola adalah V = δ Vs

1.2.2.2 Pengukuran Dengan Metode Chubb & Fortesque

Alat ukur ini digunakan untuk mengukur tegangan tinggi AC dan terdiri atas satu unit kapasitor tegangan tinggi, dua dioda yang dihubungkan antiparalel, dan satu ammeter DC. Arus I yang bergantung pada laju perubahan tegangan u(t) mengalir melalui kapasitor tegangan tinggi C, dimana D1 dan D2, alat ukur arus (mA) dan frekuensi meter. Rangkaian Chubb & Fortesque ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Rangkaian Chubb & Fortesque

Dalam pengukuran ini, yang diukur adalah arus pemuat (I). Hubungan arus ini dengan tegangan yang diukur ditunjukkan pada Persamaan 4.

V = ^𝐼

2𝑓𝐶 ……….……….. (4) Dimana

V = tegangan pada terminal (kV)

F = frekuensi tegangan yang diukur (Hz)

C = kapasitansi kapasitor tegangan tinggi (uF) 1.2.2.3 Metode Pembagi Tegangan Kapasitif

Trafo uji secara umum terbebani dengan benda uji yang secara umum bersifat kapasitif, pembagi tegangan kapasitif, dan kapasitor kopling. Bahkan pada keadaan tanpa bebanpun trafo uji telah terbebani kapasitif oleh kapasitansi belitan. Dalam hubungan dengan induktansi parasit trafo uji yang cukup besar, hal ini dapat menimbulkan tegangan lebih kapasitif yang cukup besar [I Made Yulistya Negara, 2013].

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 3.

Gambar 3. Pembagi Tegangan Kapasitif

Adapun rumus yang digunakan dalam metode pembagi tegangan kapasitif dapat dilihat pada Persamaan 5 dan Persamaan 6

.

V

x

=V

uCh+Cl

Ch

= k

u

V

u ………

(5) k

u = Ch+Cl

Ch

………(6)

1.2.2.4

Pengukuran Dengan Pembagian Tegangan Resistif

Selain untuk pengukuran tegangan tinggi AC, pembagi tegangan ini juga dapat dipakai untuk percobaan dan pengukuran tegangan tinggi impuls serta DC. 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. Rangkaian pembagi tegangan resistif dapat dilihat pada Gambar 4.

Gambar 4. Pembagi Tegangan Resistif

Adapun rumus yang digunakan dalam metode pengukuran dengan pembagian tegangan resistif ditunjukan pada Persamaan 7 dan Persaman 8.

V

x

=V

uRh+Rl

Rl

= k

u

V

u ……….

(7) k

u = Rh+Rl

Rl

……… (8)

1.3 Peralatan Percobaan

Adapun peralatan yang digunakan dalam percobaan pembangkitan dan pengukuran tegangan tinggi AC ini adalah 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 Percobaa

n

Adapun rangkaian percobaan dalam pengukuran tegangan tinggi AC dengan metode elektroda bola standar ditunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5. Rangkaian Pengukuran Dengan Elektroda Bola Dimana

AT = Autotrafo TU = Trafo Uji

EB = Elektroda Bola Standar Rp = Tahanan Peredam

Dengan prosedur percobaannya adalah sebagai berikut :

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

2. Mula-mula jarak sela bula 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 keluaranya nol.

4. Kemudian saklar sekunder S2 ditutup.

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 dalam tabel 1.

t = 30°C p = 750 mmHg δ = 0,95 Tabel 1. Hasil Data Percobaan Pengukuran Tegangan Tinggi AC

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 auto trafo sudah menunjukkan bertegangan 0 sebelum dipadamkan.

1.5 Data Percobaan

Dari percobaan yang sudah dilakukan yakni percobaan pengukuran tegangan tinggi AC maka diperoleh data. Adapun data percobaan pengukuran tegangan tinggi AC yang telah dilakukan dengan lima kali percobaan disajikan dalam bentuk Tabel 2.

Tabel 2. Hasil Data Percobaan Pengukuran Tegangan Tinggi AC

S (cm)

Vs (kV)

V2 (kV)

V1 (kV)

1 2 3 4 5 Rata-rata

0,8 26,0 24,7 12,5 13 13,7 12 13,6 12,96

1,0 31,7 30,1 15 16 16,5 15,9 16,2 15,92

1,2 37,4 35,5 21,8 22,7 22,3 22,9 23 22,54

1,4 42,9 40,7 24,5 27 26,8 26,9 26 26,24

1.6 Analisa Data

Adapun analisa data pada percobaan pembangkitan dan pengukuran tegangan tinggi AC adalah sebagai berikut :

1.

Saat jarak sela S1 = 0,8 cm V2 = δ Vs

= 0,95 x 26,0 kV = 24,7 kV V11 = 12,5 kV V12 = 13 kV V13 = 13,7 kV V14 = 12 k

V

V15 = 13,6 kV

VRata-rata = 12,5+13+13,7+12+13,6

5 = 12,96 kV

2.

Saat jarak sela S2 = 1,0 cm V2 = δ Vs

= 0,95 x 31,7 kV = 30,1 kV V21 = 15 kV V22 = 16 kV V23 = 16,5 kV V24 = 15,9 kV V25 = 16,2 kV

VRata-rata = 15+16+16,5+15,9+16,2

5 = 15,92 kV

3.

Saat jarak sela S3 = 1,2 cm V2 = δ Vs

= 0,95 x 37,4 kV = 35,5 kV V31 = 21,8 kV V32 = 22,7 kV V33 = 22,3 kV V34 = 22,9 kV V35 = 23 kV

VRata-rata = 21,8+22,7+22,3+22,9+23

5 = 22,54 kV

4.

Saat jarak sela S4 = 1,4 cm V2 = δ Vs

= 0,95 x 42,9 kV = 40,7 kV V41 = 24,5 kV V42 = 27 kV V43 = 26,8 kV V44 = 26,9 kV V45 = 26 kV

VRata-rata = 24,5+27+26,8+26,9+26

5 = 26,24 kV

 Untuk percobaan 1 diketahui V1 = 12,96 kV dan V2 = 24,7 kV k = 1 - ^12,96

24,7

= 0,475

 Untuk percobaan 2 diketahui V1 = 15,92 kV dan V2 = 30,1 kV k = 1 - ^15,92

30,1

= 0,471

 Untuk percobaan 3 diketahui V1 = 22,54 kV dan V2 = 35,5 kV

k = 1 - ^22,54

35,5

= 0,365

 Untuk percobaan 4 diketahui V1 = 26,24 kV dan V2 = 40,7 kV

k = 1 - ^26,24

40,7

= 0,355

1.7 Kesimpulan

Adapun kesimpulan yang dapat diperoleh dari percobaan pembangkitan dan pengukuran tegangan tinggi AC yang sudah dilaksanakan adalah sebagai berikut 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.