TEKNIK PEMBANGKITAN DAN PENGUJIAN DENGAN TEGANGAN TINGGI IMPULS

Keperluan dan Fungsi Pengujian Adanya gangguan tegangan lebih luar yang disebabkan oleh pelepasan muatan petir. Mempunyai bentuk gelombang aperiodik yang diredam, seperti pelepasan muatan kapasitor melalui tahanan yang induktif Bentuk Gelombang: berekor pendek bermuka curam. Merupakan gelombang berjalan (Traveling Wave) Selama gelombang ini berjalan melalui kawat transmisi bentuknya berubah : Mukanya menjadi kurang curam dan ekornya bertambah panjang, amplitudonya berkurang. Berfungsi untuk eksperimen dan riset mengenai ketahanan peralatan terhadap gelombang petir.

Bentuk Tegangan Impuls Bentuk Gelombang Naik dalam waktu singkat dengan penurunan yang lambat. Persamaan : V=V0(e-at – e-bt) Bentuk Gelombang :

Muka Gelombang : Bagian dari gelombang yang dimulai dari titik nol (nominal) sampai titik puncak. (menurut IEC ditentukan dari titik nominal perpotongan antara sumbu waktu dengan garis lurus yang menghubungkan 30% dan 90% dari tegangan puncak). Ekor Gelombang : Bagian dari puncak gelombang sampai turun 50% dari titik puncak. Bentuk Gelombang dinyatakan sebagai : (Tf x Tt) s. [IEC: (1.2 x 50) s ].

Toleransi Harga Tf dan Tt berbagai standart Untuk Surja hubung digunakan nilai : [IEC: (250 x 2500) s ].

Prinsip Kerja Generator Impuls Kapasitor C diberi muatan dari sebuah sumber DC melalui tahanan pemuat r. Percikan api (spark over) antara sela api G terjadi pada waktu tegangan pemuat V mencapai suatu harga tertentu. Pada waktu itu muatan pada C dilepaskan (discharges) melalui tahanan seri Rs, induktansi L, dan tahanan R0. Dengan demikian tegangan impuls terjadi diantara terminal tahanan Ro. Note: Tahanan Rs bertindak sebagai tahanan peredam (damping resistor) untuk menghindari osilasi frekuensi tinggi. Ro dipakai untuk mengatur bentuk ekor gelombang. L bersama Ro dipakai mengatur muka gelombang.

Persamaan Dasar Sirkuit RLC Bila C(2r)>>CR dimana R=Ro+Rs maka : Penyelesaiannya : maka: Maka : Dengan rumus ABC didapatkan:

Maka didapatkan penyelesaian umum : Dimana A1 dan A2 adalah konstanta integral yang dapat ditentukan dari kondisi permulaan  pada saat t=0 maka akan didapat : i=0 L di/dt=V

Karena: Maka :

Tegangan Impuls: 1 dan 2 adalah positip dan riil.

Analisa Persamaan Impuls RLC Dalam praktek harga yang harus ditentukan adalah panjangnya: Muka Gelombang Ekor Gelombang Maka yang harus dicari adalah harga : 1 dan 2 L dan R L dan C R dan C

Untuk menentukan 1 dan 2 diperlukan 2 Persamaan: Yang menyatakanTf adalah titik maksimum, yaitu pada waktu dv/dt=0.

Yang menyatakan bahwa tegangan impulsnya menurun menjadi setengahnya pada waktu Tt : Secara teoritis, 1 dan 2 dapat dicari dari 2 persamaan diatas bila Tf dan Tt diketahui. Oleh karena penyelesaiannya agak sulit maka digunakan penyederhanaan berikut :

Dari persamaan tersebut dapat diatrik sebuah lengkung yang menghubungkan k dengan  Jadi untuk tiap bentuk gelombang dimana Tf dan Tt diberikan maka k dan  dapat dihitung

Jadi bila Tf dan Tt diketahui maka k dapat dihitung. Dari gambar dapat diukur ln , sehingga  dapat dihitung. Setelah itu  dapat dicari. Sehingga 1 dan 2 dapat ditentukan. Apabila ketelitian yang lebih tinggi dikehendaki, maka dipakai cara analitis sebagai berikut : Selanjutnya bila

Kesalahan kira-kira 2%. Dengan trial and error maka  dan  dapat dicari. Dan dengan cara yang sama pula 1 dan 2 dapat ditentukan.

Beberapa harga untuk beberapa macam bentuk gelombang   2 - 2 LC RC 1 x 40 2.768 2.75 0.1 21.7 54.5 1 x 50 3.044 3.029 0.0862 11.6 70.6 1.5 x 40 1.766 1.757 0.0642 15.6 55.4 L=µH C= µF R=

Effesiensi Tegangan Karena ada jatuh Tegangan (Voltage Drop) maka tegangan impuls yang sampai ke spesimen yang diuji akan lebih rendah Maka dapat didefinisikan effesiensi tegangan : Effesiensi Tegangan ini sering disebut juga sebagai “Utilization ratio” Untuk Sirkuit RLC :

Persoalan Pengaturan Bentuk Gelombang Dalam praktek setiap spesimen yang diuji mempunyai ciri khas, karena sedikit banyak ada induktansi, kapasitansi atau “mutual coupling” yang tidak diinginkan (stray parameter). Contohnya : Transformator kapasitas besar sukar diatur Tt-nya Bushing tegangan tinggi sukar mencapai toleransi 50%

Sirkuit RLC Praktis Cara memberi muatan Generator impuls 1 tahap tidak dapat menghasilkan tegangan yang terlalu tinggi. Untuk menaikan tingkat tegangan maka dipakailah generator impul multi tahap (multi-stage generator) Prinsip kerjanya adalah : Kapasitor dalam setiap tahap diberi muatan secara paralel dan dilepaskan muatannya secara seri melalui sela api (spark-gaps) Cara pemberian muatan ada 2 cara : Secara Seri Secara Paralel

Pemberian Muatan Secara Seri Tahanan pemuatnya semua dihubungkan secara seri Tiga sela bola dalam tahap yang terendah dipakai untuk memudahkan lompatan api diantara sela seri

Pemberian Muatan Secara Paralel Tiap tahanan pemuat dihubungkan secara paralel. Kerugian dari rangkaian paralel dibanding rangkaian seri adalah bahwa tiap tahanan pemuat harus diisolasikan terhadap seluruh tegangan pemuat Hal ini sangan merugikan dan tidak ekonomis dan secara teknis sukar dibuat

Sirkuit RLC Praktis Cara Mulai dan Mengatur Tegangan Pelepasan muatan di Generator Impuls diharapkan dapat terkontrol kapan akan dilakukan Ada 2 cara pengaturan : Pelepasan terjadi secara spontan Pelepasan buatan dengan bantuan sela khusus Untuk pengoperasian yang simultan antara Generator Impuls dan alat pencatat, maka diperlukan suatu sela mulai yang dapat dilepaskan dengan isyarat/cara listrik.

Gambar diatas menggambarkan sela mulai yang mempunyai sela jarum ditengahnya Apabila sebuah pulsa sampai pada jarum, maka medan pada sela utama berubah, sehingga terjadi percikan api pada tegangan yang lebih rendah daripada tegangan yang seharusnya. Guna tabung gelas untuk mempercepat terjadinya korona. Tegangan yang diperlukan untuk memulai percikan adalah 5-10 kV.

Titik P1 dan P2 dimuati dari sumber DC, masing-masing K1 dan K2, yang diberi tegangan pemuat 5-10 kV Bila bola pencetus G1 dimulai oleh pulsa yang dikirim dari osiloskop, maka potential P1 tiba-tiba menjadi nol, sedangkan P2 menjadi 2 kali tegangan pemuat. Oleh sebab itu terjadi percikan pada sela G2 yang mengakibatkan tegangan impuls. Waktu penundaan pencetusan/trigger diatur oleh C

Hasil pulsa keluaran karena percikan di sela G2 mengakibatkan bentuk impuls bebrbentuk segi empat Dengan adanya kapasitor C bentuk tegangannya menjadi lebih dibulatkan.

Cara Mengukur Tegangan Impuls Dengan Menggunakan Sela Bola Sela bola sering digunakan untuk mengukur tegangan impuls Sela bola harus selalu ditera dengan tegangan percik 50% (disingkat 50% sparkover, SOV) dari sela bola standar Sela bola standar adalah sela bola yang memenuhi syarat standar mengenai : Kwalitas Jarak sela Ukuran bola Dalam keadaan udara tertentu, sela bola selalu mempunyai tegangan percik tertentu pula. Itulah sebabnya sela bola dapat dipakai sebagai alat ukur.

Bentuk Kondisi Bola Elektroda Syarat: Permukaannya Licin Lengkungnya rata Permukaan bola harus bebas debu, minyak,dll Tahanan peredam dipasang seri dengan jarak minimum 2D (D= diameter) dari bola diukur dari titik dimana terjadi percikan. Tegangan uji AC =100 k s/d 1000 k Tegangan uji Impuls 500  Diameter Bola (D) dalam cm Jarak dari (A) (maks) (min) Jarak dari (B) (minimum) 10 s/d 15 8D 6D 12S 25 7D 5D 10S 50 4D 8S 100 3.5D 7S 150 6S 200 3D S= jarak antara elektroda bola A=jarak antara titik P dengan tanah B=jari-jari dalam ruangdiameter elektroda yang bebas dari benda atau bangunan lain

Ketepatan Nilai Tabel dan Pengaruh Udara Sekitar Untuk pengujian AC dan Impuls sampai 0.5D dengan kesalahan 3%. Untuk jarak diatas 0.7D nilai ditabel kurang tepat maka diberi tanda kurung. Kesalahan mencapai  5% bila jarak 0.4D Nilai tegangan yang terdapat ditabel hanya berlaku untuk Suhu sekitar 20C Tekanan udara 1013 mbar atau 760 mm Hg atau 1 Torr

Sphere gap Spacing (mm) Sela Bola Dengan Salah Satu Dari Bola Disambung ke Tanah (Untuk : AC, Negative Impuls, Negative Switching) Sphere gap Spacing (mm) Voltage Sphere 6.25 kV Peak diameter (cm) 12.5 25 5 17.2 16.8 10 31.9 31.7 15 45.5 20 58.5 59.0 69.5 72.5 30 79.5 85.0 86.0 35 (87.5) 97.0 99.0 40 (95.0) 103.0 112.0 45 (101.0) 119 125 50 (107.0) 129 137 55 (112) 138 149 60 (116) 146 161 65 154 173 70 (161) 184 80 (174) 205 90 (185) 226 100 (195) 244 110 (203) 261 120 (212) 275 (214) 282 150 (314) 175 (342) 200 (366) 225 (385) 250 (400)

(Untuk Positip impuls, positip switching) Sela Bola Dengan Salah Satu Dari Bola Disambung ke Tanah (Untuk Positip impuls, positip switching) Sphere gap Spacing (mm) Voltage Sphere 6.25 kV Peak diameter (cm) 12.5 25 5 17.2 16.6 10 31.9 31.7 15 45.5 20 59 59.0 71.0 72.5 72.7 30 82.0 85.5 86.0 35 (91.5) 98 99.0 40 (101) 110 112.0 45 (108) 122 125 50 (115) 134 138 55 (122) 145 151 60 (127) 155 163 65 (164) 175 70 (173) 187 80 (189) 211 90 (203) 233 100 (215) 254 (229) 273 120 (234) 291 (239) 299 150 (337)

Untuk menetapkan 50% SOV dapat ditentukan dengan 2 cara : Interpolasi Cara naik dan turun (Up-and-Down Method), lebih umum digunakan. Prosesnya yaitu: Cara naik dan turun (Up-and-Down Method). Mula-mula tegangan puncak dari percikan minimum diterapkan pada sela. Apabila percikan terjadi, maka tegangan di turunkan setingkat (besar tingkatan ditentukan dari pengalaman) Tegangan ini diterapkan lagi, kalau masih ada percikan tegangan diturunkan lagi. Apabila tidak tegangan dinaikkan Prosedure ini diulang sampai 30 – 50 kali

Besarnya 50% SOV adalah : Vs=Vminimum+(Vi-Vi-1)(A/N + ½) Dimana : Vminimum= tegangan yang terjadi pada tanda X yang terendah Vi =tegangan pada tingkat I (tertinggi) Dari tabel didapat Vs=28+(32-31)(29/20 + ½)= 29.95 kV Bila tanda “O”, maka rumus yang dipakai berubah menjadi V*s =V* minimum+(Vi-Vi-1)(A/N - ½) Jika titik yang diambil cukup banyak maka Vs= V*s

Cara Mengukur Tegangan Impuls Dengan Menggunakan CRO Dengan mengunakan Chatode-Ray Oscillograph (CRO) kita dapat : Tegangan puncak Bentuk gelombang Ketidak normalan bentuk impuls (menggambarkan kerusakan alat uji) CRO hanya bisa mengukur tegangan rendah saja, jadi untuk mengukur tegangan tinggi diperlukan pembagi tegangan (baik resistor atau kapasitor)

Gambar diatas menunjukkan sirkuit pengukuran dan pembagi tegangan (menggunakan tahanan). Untuk menghindari osilasi maka perlu diperhatikan syarat-syarat tertentu :R2+R3=R4=R5=R6=z=surge impedance kabel. Apabila syarat tersebut dipenuhi, maka sirkuit pengukurannya dapat disederhanakan. Jika R5=R6z maka bentuk gelombang berubah karena ada refleksi keluar masuk kabel akan banyak berkurang jika R2+R3=R4

Faktor Koreksi Keadaan Udara Koreksi Keadaan udara menggunakan rumus2 yang telah diterangkan di bab 2 Buku Teknik Tegangan Tinggi karangan Artono Arismunandar

Konstruksi Generator Impuls Contoh konstruksi Spesifikasi : 10 Tahap Tegangan Nominal 750 kV Tegangan Penguji 600 kV Jumlah Kapasitansinya 0.06 F Maka tenaga yang tersimpan adalah UC= ½ CVN2 = ½ (0.05)10-6(750)2106 = 14000 joules(watt-detik) Untuk pengujian biasa hanya dibutuhkan : 1000 joules / 100kV Hubungan antara tegangan nominal dan tegangan pemuat maksimum dinyatakan dengan : VN=nVQ dimana n= jumlah tahap VQ=Tegangan pemuat maksimum