View
6
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
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.
11.1. KUAT MEDAN LISTRIK (STRESS LISTRIK)
Seperti halnya dalarn suatu rancangan mekanls dl -
mana kriterla darl rancangan tergantung pada 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~strik, 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
11 strlk berada ( F / m ) .
Besarnya permisivitas untuk berbagai medium dapat dilihat
pada tabel 2. I.
Tabel 2 , I. Tabel e~ dan o/we.
TABLE C.l i n and a/oc
1 1 . 2. PROSES IONISASI
~Uoferiul
Ai r Alcol~ol . 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 German iun~ Glass Ice M ic;~ Neoprene Ny lon 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 Ti tanium dioxide Water (distilled) Water (sea) Water (dehydrated) Wood (dry)
Seperti telah disebutkan dl atas, bahan yang paling
pentlng digunakan dl tegangan tinggi adalah 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
kuatan isolasl dari suatu bahan isolasi dapatlah 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 di-
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. v2 , 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 ~ ~ U grup atau suatu badai elektron, dan badal in1
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)
11.3. 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 corona dan tegangan break down dari
susunan bola-lempengan dapa t d i l i h a t pada gambar 2 . 1 .
- BREA*DOWN 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 break down dan permula-
an corona untuk b o l a dengan diameter yang
herbeda dan bentuk lempengan-bola.2)
Darl gambar In1 dapa t d i l l h a t bahwa :
" pada c e l a h uda ra yang k e c l l ( dae rah I ) medan
unlform, dan tegangan break down se lu ruhnya / t e r -
utama t e rgan tung pada J a r a k c e l a h udara
" pada c e l a h u d a r a yang cukup besa r ( dae rah 1 1 ) ,
medan non unlform dan tegangan break down t e r -
gantung pada d i ame te r b o l a dan j a rak c e l a h udara
" pada c e l a h u d a r a yang b e s a r (daerah I I I ) , medan
non unlform dan break down d idahu lu i o l e h corona
dan d l a t u r hanya o l e h jaraK c e l a h udara . Tegangan
permulaan corona t e ru tama te rgan tung pada
d lamete r bo 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 am 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)
11. 5. PEMBANGKITAN 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 vj [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 ke-
harga puncak dan secara lambat jatuh ke harga nol.
Bentuk ge lombang yang umum dlherikan 01 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 1,2/50 ys, 1.000 KV 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 90 %
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 no1 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 (Olt2 - Olti). Tltlk E dltempatkan pada ekor
3 1 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, 0416, f3 = -2, 407 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 dl irj l yang
terutama Serslfat kapasltlf dalam bentuk C2.
Untuk rangkalan 2. 3. b. tegangar. output pada C2 dl-
berlkan oleh :
1 Dengan transformasl Laplace : I~(s) = Vo(S)
c2 s
dl mana : 12 adalah arus yang melalui C2
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 GELOMBANG 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 VJ , dan waktu yang
panJang ke ekor (waktu ekor) membutuhkan pembuangan
muatan yang lambat.
In1 dtdapat dengan memberlkan R2 > > 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 U0C1 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 (Rl + R2) 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 ke te rangan d a r i rangka ian- rangka ian 2. 3. b. dan
2 . 3. c. d i a t a s , dianggap bahwa pada t = 0 k a p a s i t o r -
k a p a s i t o r impulse Ci d i i s i sampai s u a t u tegangan V.
V ada lah ha rga d a r i tegangan peng i s i an d i mana s e l a S
break down, ba ik s e c a r a s e n d i r i n y a a t a u dengan bantuan
a l a t pe lepasan muatan. J a d i untuk ope ra s i penyalaan
s e n d i r i , s u a t u kenaikan h a r g a puncak d a r i tegangan
lmpulse V' hanya dapat d i h a s i l k a n dengan menambah/me-
naikkan j a r a k s e l a S . Dengan hanya menaikkan tegangan
pengls ian s e a r a h yang d ipaka i d i depan tahanan pengis ian
hanya akan membuat peng i s i an Ci menjadi l e b i h cepa t men-
capa i V dan S akan break down dengan sege ra 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 kecepatan lmpulsenya
dan bukan ampli tudo tegangan impulse yang d i h a s i l k a n .
Untuk sua tu tegangan peng i s i an DC yang d ibe r ikan , untuk
mendapatkan tegangan lmpulse dengan tegangan puncak se -
t l n g g l mungkln, d l b e r l k a n l ah rangka lan pengganda o 1 eh
E.Marx pada tahun 1923 , yar?g kemudlan k l t a kenal sebagal
rangkalan gene ra to r lmpulse Marx. Rangkalan In1 se r lng -
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 demlklan menghasl lkan sua tu
tegangan peng l s l an t o t a l yang berganda, sebandlng dengan
juml ah tahap . Rangkalan g e n e r a t o r lmpul s e Mdf'x dapat 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 :
R2CI > > R1C2
Untuk rangkalan gambar 2. 3 , b. persamaan umurnnya adalah :
Bentuk gelombang lmpulse digambarkan secara unlk oleh T l
dan T 2 . Karakterlstlk-karakterlstik 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 umum TI > > T2.
Tetapan-tetapan waktu TI, T2 dan k untuk gambar 2. 3. b. ,
2. 3. c. dan 2. 3. d. dapat dilihat pada tabel 2. 2.
Tabel 2. 2. Tabel hubungan tetapan-tetapan waktu dan
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, 05 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.
11, 1 1 . PRINSIP 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
Ci 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 Ci, maka semakin pendek
pula waktu multa gel ombang yang dihasi lkan.
11. 11. 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 C4
dlgunakan surnber tegangan tlnggl searah melalui
penglslan R , yang umumnya memlllkl harga berklsar antara
1 0 KR sampal 100 KR. Tahanan pembentuk muka dan ekor
gelombang dltunjukkan oleh R1 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 Gi.
Segera setelah ltu kapasltor C1 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~lanan 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 perbedaan tegangan d i a n t a r a s e l a G2 ada-
l a h 2V dan maka d a r i i t U t e r j a d l penembusan tegangan
(break down), menyebabkan t i t i k R dan keping k i r l d a r i
C2 berubah menjadi -2V
" s e c a r a s e r e n t a k t i t i k E berubah d a r i -2V, mernberikan
s u a t u tegangan 3V d i a n t a r a s e l a bo.la G3 dan menyebab-
kan t e r j ad inya penembusan tegangan (break down).
Urutan l t u t e r u s ber langsung sampal t l t l k J mencapal
tegangan -4V t e rhadap bumi. Pu l sa ou tpu t ada lah ber -
lawanan dengan p o l a r l t a s tegangan peng l s i an s ea rah dan
untuk n t ahap h a r g a puncaknya s e c a r a t e o r i t l s adalah
-nV. Pembuangan muatan d a r l sua tu gene ra to r n t,ahap
dapat d lkurangl menjadl s a t u u n i t s a t u t ahap dengan m e -
nar-lk rangka lan eku lva lennya 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 Peamln,A. J., High Voltage Heasurewnt, Testlng and Design, halanan 101.
Recommended