TUGAS RANGKUMAN PENGUKURAN TEGANGAN TINGGI diajukan sebagai tugas mata kuliah Pengukuran Sistem Tenaga
oleh Moch. Yogi Frima M. NIM : 2212122091
Program Sarjana (S1-Lanjutan) Jurusan Teknik Elektro (TTL) UNIVERSITAS JENDRAL AHMAD YANI 2013
1. Pengukuran Tegangan Tinggi
Pengukuran tegangan tinggi berbeda dengan pengukuran tegangan rendah, sehingga perlu penjelasan khusus mengenai pengukuran ini. Ada tiga jenis tegangan tinggi yang akan diukur dalam pengujian tegangan tinggi, yaitu tegangan tinggi bolak balik, tegangan tinggi searah, dan tegangan tinggi impuls. Pengujian tegangan tinggi pada umumnya diperlukan untuk mengetahui apakah peralatan tegangan tinggi yang diuji masih memenuhi standar kualitas dan kebutuhan yang dispesifikasikan pada peralatan tersebut. tersebut. Pengujian tegangan tegangan tinggi dimaksudkan dimaksudkan untuk : 1. Untuk meneliti sifat-sifat listrik dielektrik yang baru ditemukan, sebagai usaha dalam menemukan bahan isolasi yang lebih murah. 2. Untuk verifikasi hasil rancangan isolasi baru, yaitu hasil rancangan yang telah dikurangi volume isolasinya. 3. Untuk memeriksa kualitas peralatan sebelum terpasang, hal ini dilakukan untuk menghindarkan menghindarkan kerugian bagi pemakai peralatan. 4. Untuk memeriksa kualitas peralatan setelah beroperasi dalam rangka mengurangi kerugian semasa pemeliharaan. Perlunya pengujian tegangan tinggi seperti diuraikan di atas menuntut adanya cabang studi tegangan tinggi yang membahas khusus pengujian tegangan tinggi. Studi ini akan mempelajari cara kerja dan karakteristik peralatan-peralatan uji tegangan tinggi dan prosedur pengujian yang telah distandarisasi. distandarisasi. Adapun peralatan-peralatan yang dibutuhkan untuk pengujian tegangan tinggi adalah : 1. Pembangkit tegangan tinggi yang terdiri atas: pembangkit tegangan tinggi ac, pembangkit tegangan tegangan tinggi dc, dan dan pembangkit pembangkit tegangan tinggi impuls. impuls. 2. Alat ukur tegangan tinggi yang terdiri atas alat ukur tegangan tinggi dc, alat ukur tegangan tinggi ac, dan alat ukur tegangan tinggi impuls. 3. Alat pengukur sifat listrik dielektrik, antara lain alat ukur rugi-rugi dielektrik, alat ukur tahanan isolasi, alat ukur konduktivitas, dan alat ukur peluahan parsial. 2. Pengukuran Tegangan Tinggi DC
Pengukuran tegangan tinggi DC sebagaimana pada pengukuran tegangan rendah umumnya dilakukan dengan menambah tahanan seri yang besar mengingat arus dalam
meter biasanya dibatasi pada nilai 1-10 mikroampere untuk full scale deflection. Sedangkan untuk tegangan yang sangat tinggi (1000 kV ke atas), permasalahan yang muncul adalah disipasi daya yang besar, arus bocor, perubahan resistansi berkenaan variasi temmperatur, dll. 2.1 Pengukuran dengan menghubung seri mikroammeter dengan resistor.
Tegangan tinggi DC biasanya diukur dengan menghubungkan tahanan yang sangat tinggi (beberapa ratus megaohm) terhubung seri dengan microammeter, sebagaimana sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Pengukuran dengan menghubung seri mikroammeter dengan resistor. r esistor. Arus I yang mengalir melalui resistansi R diukur oleh moving coil microammeter. Besar tegangan sumber adalah : V = I.R Dalam hal ini drop tegangan dalam meter diabaikan, oleh karena impedansi meter sangat kecil disbanding dengan resistansi seri R. Peralatan proteksi seperti paper gap, neon glow tube, atau zener diode, merupakan media proteksi bagi microammeter terhadap tegangan tinggi, ketika R mengalami kegagalan atau flash over. 2.2 Pengukuran berdasarkan prinsip generator.
Muatan disimpan dalam kapasitor kapasintasi C yang diberikan oleh q = CV. Jika kapasitansi kapasitor bervariasi dengan waktu saat dihubungkan ke sumber tegangan V, maka arus yang melalui kapasitor adalah :
Untuk DC, tegangan dV/dt = 0 , oleh karena itu,
Jika kapasitansi C bervariasi di antara limit Co dan (Co+Cm) secara sinusoidal, sebagaimana :
Maka arus adalah:
im adalah nilai puncak arus, maka nilai rms dari arus adalah:
Untuk ferkuensi sudut
yang konstan, arus sebanding dengan tegangan yang
diterapkan V. Pada umumnya arus yang dibangkitkan disearahkan dan diukur oleh moving coil meter. Generating voltmeter dapat digunakan untuk pengukuran tegangan AC.
Gambar 2.2 Diagram skematik pengukuran berdasar prinsip generator. 2.3 Pengukuran dengan pemakaian pembagi tegangan
Untuk mengukur tegangan arus searah yang tinggi dibutuhkan pembagi tegangan. Alat ini dipakai untuk menurunkan tegangan yang tinggi menjadi tegangan yang rendah sehinga dapat disambungkan ke meter atau CRO. Nilai tegangan ini cukup besar sehingga tidak akan membahayakan membahayakan alat alat ukur itu sendiri atau pemakai.
Gambar 2.3 rangkaian pengukuran dengan pembagi tegangan Besar tegangan tinggi dirumuskan sebagai berikut :
Dimana V2 adalah tegangan rendah yang terukur pada R 2. Jika terjadi perubahan tegangan secara tiba-tiba, seperti : proses switching, flash over pada objek uji, atau short circuit, maka flash over atau kerusakan terjadi pada divider elements berkenaan dengan stray capacitance yang melalui elemen dan juga kapasitansi tanah. Untuk mencegah adanya tegangan transien, maka voltage controlling capacitor dihubungkan pada elemen. Sebuah resistor seri yang terhubung dengan capasitor parallel digunakan untuk linearisasi distribusi potensial transien, sebagaimana ditunjukkan pada gambar. 3. Pengukuran Tegangan Tinggi AC
Dalam laboratorium diperlukan tegangan tinggi bolak-balik untuk percobaan dan pengujian dengan arus bolak-balik serta untuk membangkitkan membangkitkan tegangan tinggi searah dan pulsa. Trafo uji yang biasa digunakan untuk keperluan tersebut memiliki daya yang lebih rendah serta perbandingan belitan yang jauh lebih besar daripada trafo daya. Arus
primer biasanya disulang dengan ototrafo sedangkan untuk kasus khusus disulang dengan pembangkit sinkron. Hampir semua pengujian dan percobaan dengan tegangan tinggi bolak-balik mensyaratkan nilai tegangan yang teliti. Hal tersebut umumnya hanya akan terpenuhi jika pengukuran dilakukan pada sisi tegangan tinggi; untuk itu telah disusun berbagai cara dalam mengukur tegangan tinggi bolak-balik. Bentuk V(t) untuk tegangan tinggi bolak-balik sering menyimpang dari bentuk sinus. Dalam teknik tegangan tinggi, nilai puncak V ˆ dan nilai efektif Vef memiliki arti yang sangat penting :
Untuk pengujian tegangan tinggi besaran
didefinisikan sebagai tegangan uji. Di sini
diandaikan bahwa penyimpangan bentuk tegangan tinggi dari bentuk sinus masih dalam batas yang diijinkan. Untuk sinusoidal sinusoidal murni 3.1 Potential Transformer
Trafo ukur adalah trafo stepdown yang dirancang khusus untuk pengukuran tegangan tinggi. Kumparan tegangan tinggi dihubungkan ke terminal yang akan diukur, sedangkan kumparan tegangan rendahnya rendahnya dihubungkan dengan voltmeter atau alat ukur tegangan rendah lainnya. Rangkaian pengukuran ditunjukkan pada gambar berikut :
Jika tegangan voltmeter adalah V u, maka tegangan tinggi yang hendak diukur adalah : Vx = aVu Dimana a (faktor transformasi trafo ukur)
Sifat- sifat alat ukur ini adalah :
Harganya mahal karena untuk tegangan yang sangat tinggi serta frekuensi yang relatif rendah (50 Hz) Hz) maka perkalian perkalian fluks magnetik dan jumlah lilitan dari belitan tegangan tegangan tinggi menjadi sangat sangat besar.
Hasil pengukurannya teliti.
Cocok untuk pengukuran di atas 100 kV.
Dapat digunakan untuk mengukur tegangan puncak, harga efektif tegangan, dan menunjukkan bentuk gelombang tegangan.
3.2 Pembagi tegangan kapasitif
Kini telah dikembangkan beberapa rangkaian penyearah untuk mengukur puncak tegangan tinggi bolak balik dengan bantuan pembagi kapasitif. Metode-metode ini lebih menguntungkan dibanding dengan rangkain Chubb-Furtesque dikarenakan nilai terukur tidak bergantung pada frekuensi serta membolehkan pengukuran dengan banyak puncak puncak tegangan dalam dalam setiap setengah setengah periode. Dalam gambar di atas menunjukkan rangkaian penyearah setengah gelombang yang sangat sederhana serta cukup teliti untuk berbagai penggunaan.Dalam rangkaian ini kapasitor ukur C m dimuati hingga bertengangan Û 2 yakni nilai puncak dari u (t).Resistor R m yang membuang muatan C m diperlukan untuk mengatasi penurunan pada tegangan yang diterapkan. Konstanta waktu yang dipilih bergantung pada respon rangkaian yang dikehendaki, sehingga resistansi dalam dari perangkat ukur yang digunakan juga harus diperhitungkan.Umumnya diperhitungkan.Umumnya digunakan nilai kosntanta waktu sebagai berikut : R mCm < 1 detik Akan tetapi, konstanta waktu tersebut harus jauh lebih besar daripada periode T = 1/f dari tegangan bolak balik yang diukur sehingga tegangan U m pada Cm tidak cepat menurun dalam selang waktu pengisian muatan, dalam gambar 4 ditunjukkan nilai-nilai sesaat dari Um (t).Persyaratan tersebut tersebut dapat dinyatakan dengan dengan persamaan persamaan berikut : R mCm >> 1/f Resistansi R 2 yang terpasang paralel dengan C 2 diperlukan untuk mencegah pengisian C2 oleh arus yang mengalir melalui penyearah V m.Nilai R 2 harus dipilih sedemikian
sehingga jatuh tegangan pada R 2 (yang menyebabkan pengisian C 2) adalah sekecil mungkin.Dengan mungkin.Dengan demikian : R 2 << R m pada pihak lain pengaruh nilai R 2 terhadap perbandingan pembagi kapasitif harus sekecil mungkin : R e >> 1/(ωC2) Alat ukur yang digunakan harus memiliki impedansi masukan yang tinggi.Untuk itu dapat digunakan meter-Volt elektrostatik , alat ukur kumparan putar dengan kepekaan tinggi dan penguat elektrometer atau penguat resistansi dengan penunjukan dogital atau analog.Perubahan rentang ukur biasanya disebabkan oleh pengubahan pengubahan besar C2. Ketentuan-ketentuan terhadap nilai-nilai komponen di atas tiak berlaku umum serta membatasi ketelitian yang diperoleh terutama pada frekuensi rendah.Sifat-sifat tersebut dapat diperbaiki dengan menggunakan rangkaian yang lebih teliti [ Zaeng, Volcker 1961].
Ketelitian secara keseluruhan tidak hanya bergantung pada sifat-sifat rangkaian ukur pada sisi tegangan rendah, tetapi juga pada kapasitor tegangan tinggi.Kapasitor ukur untuk tegangan yang sangat tinggi sering tidak ditapis dengan sempurna sehingga menimbulkan galat tambahan akibat medan-medan bocor [ Luhrmann 1970]. Kekurangan dari metode pengukuran tegangan tinggi dengan pembagi tegangan kapasitif ini antara lain adalah :
Hasil pengukuran dipengaruhi oleh kapasitansi kabel ukur
Kesalahan bisa terjadi karena adanya kapasitansi antara kondensator C h dan tanah yang disebut kapasitansi sasar.Kapasitansi sasar dijumpai juga antara kondensator C h dan selubung kabel.Hal ini berpengaruh terhadap hasil pengukuran terutama pada saat saat pengukuran pengukuran tegangan tinggi tinggi impuls.
Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam penggunaan pembagi tegangan kapasitif adalah :
Kabel ukur harus kabel koaksialn yang konduktor luarnya ditanahkan.Hal ini dimaksudkan untuk mencegah pengaruh induksi dari pembagi tegangan terhadap inti kabel
Untuk mengurangi pengaruh induksi pembagi tegangan terhadap osiloskop, maka jarak osiloskop dan pembagi tegangan harus relatif jauh
Sebaiknya osiloskop diberi perisai (shielding) untuk mencegah pengaruh induksi dari pembagi tegangan terhadap tampilan osiloskop.
3.3 Series Impedance Voltmeter
Untuk pengukuran frekuensi daya, impedance seri dapat berupa resistansi murni atau reaktansi. Jika resistansi menyebabkan menyebabkan rugi-rugi daya, biasanya kapasitor dijadikan sebagai reaktansi seri, dan induktansi residual pada resistansi mengalami kenaikan pada impedansi yang berbeda dari resistansinya. Selain itu pula untuk resistansi yang tinggi, variasi resistansi terhadap temperature merupakan masalah. Reaktansi yang tinggi untuk tegangan tinggi memiliki stray capacitance dan karenanya resistansi mempunyai rangkaian eqivalen seperti pada gambar di bawah. Untuk setiap frekuensi ω dari tegangan AC, impedansi dari resistansi R adalah :
Jika ωL dan ωC kecil dibandingkan R, maka :
Dan total sudut phasanya adalah :
Kondisi ini dapat dibuat 0 dan tidak bergantung pada frekwensi, jika :
3.4 Series Capacitance Voltmeter
Kapasitor seri digunakan sebagai pengganti resistor untuk pengukuran tegangan tinggi AC. Diagram skematik ditunjukan pada gambar di bawah. Arus Ic yang melalui meter adalah :
Dimana: C = Kapasitansi dari series capacitor ω = Frekwensi sudut, dan
V = Tegangan AC yang diterapkan Jika tegangan AC mengandung harmonik, maka akan terjadi perubahan pada series impedance. Nilai tegangan rms V dengan harmonic diberikan oleh persamaan:
V1, V2,…Vn mempresentasikan nilai fundamental rms, harmonic ke 2
Arus berkenaan dengan harmonisasi ini adalah :
Oleh karenanya, resultant arus rms adalah :
Dengan 10% harmonic kelima, maka arusnya adalah 11.2% lebih tinggi, dan karenanya errornya 11,2% pada pengukuran tegangan. Metode ini tidak direkomendasi jika tegangan AC bukan gelombang sinusoidal murni. 4. Pengukuran Tegangan Tinggi Dengan Elektroda Bola Standar
Elektroda bola standar digunakan untuk mengukur tegangan tinggi bolak-balik, tegangan tinggi searah, dan tegangan tinggi impuls. Diameter elektroda bola terdiri atas beberapa ukuran standar, antara lain: 2 cm, 10 cm, 50 cm, bahkan ada yang berukuran sampai 200 cm. Pada keadaan udara standar, yaitu temperatur udara 20º C, tekanan udara 760 mmHg, dan kelembapan mutlak 11 gr/m³, tegangan tembus sela bola standar untuk berbagai jarak sela bola adalah tetap. Pada umumnya sela bola lebih sering digunakan untuk pengukuran tegangan tinggi daripada sela dengan medan yang homogen maupun sela batang. Pada beberapa kasus tertentu sela dengan medan yang homogen dan sela batang juga digunakan, namun ketelitiannya kurang. Tegangan tembus sela bola khususnya, tidak tergantung pada bentuk gelombang tegangan tinggi dan oleh sebab itu sangat cocok untuk semua jenis bentuk gelombang dari tegangan dc sampai impuls untuk kenaikan waktu yang singkat ( kenaikan waktu ≥0,5 μ s ). Sela bola juga dapat digunakan untuk penguku pengukuran ran tegangan puncak ac pada frekuensi radio (di atas 1 MHz). Sela bola dibuat dari dua buah bola logam yang identik dengan diameter D dan memiliki alat untuk mengoperasikan dan isolator pendukung. Sela bola dapat disusun : 1. Secara horizontal dengan kedua sela bola dihubungkan pada sumber tegangan atau salah satunya dibumikan. 2. Secara vertical dengan sela bola yang lebih rendah atau letaknya di bawah dibumikan. 4.1 Pengukuran Dengan Susunan Elektroda Bola Secara Horizontal
Pada pengukuran dengan susunan elektroda bola secara horizontal, biasanya disusun dengan kedua bola simetris pada tegangan tinggi di atas permukaan tanah. Kedua bola yang digunakan harus memiliki bentuk dan ukuran yang identik. Bentuk susunan elektroda bola secara horizontal dapat ditunjukkan pada gambar 4.1. Susunan horisontal digunakan untuk diameter D < 50 cm dengan rentang tegangan yang lebih
rendah sedangkan untuk diameter yang lebih besar digunakan susunan vertikal yang mengukur besar tegangan terhadap bumi. Tegangan yang akan diukur dilewatkan antara kedua sela bola dan jarak atau sela S diantara kedua bola tersebut memberikan suatu ukuran dari besarnya tegangan tembus. Pada kasus nilai tegangan puncak ac dan pengukuran tegangan dc, tegangan yang dipakai secara keseluruhan dinaikkan sampai terjadi tembus listrik pada sela bola.
Gambar 4.1 Susunan Elektroda Bola Secara Horisontal 4.2 Pengukuran Dengan Susunan Elektroda Bola Secara Vertikal
Susunan elektroda bola secara vertikal lebih sering digunakan pada pengukuran tegangan tinggi. Berbeda dengan elektroda yang disusun secara horizontal yang lebih sering digunakan pada pengukuran tegangan yang relative lebih rendah. Bentuk susunan elektroda bola secara vertikal dapat dilihat pada gambar 4.2. Isolasi yang menopang bola di bagian atas harus berjarak kurang dari 0,5 D dengan D adalah diameter. Elektroda bola itu disokong oleh sebuah kaki logam yang bersifat konduktif yang tidak lebih dari 0,2 D dan paling sedikit sebesar D (sehingga titik percik sekurang-kurangnya berjarak 2 D dari dari ujung yang lebih rendah rendah isolator bagian bagian atas).
Gambar 4.2. Susunan Elektroda Bola Secara Vertikal
Tegangan tinggi harus tidak boleh lewat dekat dengan elektroda yang ada di atas. Idealnya tegangan tersebut harus dialirkan dari kaki elektroda menjauh melalui sebuah bidang datar yang tegak lurus dengan kaki paling tidak 1 D dari elektroda. Elektroda yang terletak di bawah harus berjarak paling sedikit 1,5 D di atas permukaan tanah.
DAFTAR PUSTAKA
◦
Tobing, B.L., Dasar Teknik Pengujian Tegangan Tinggi . PT. Gramedia Pustaka
Utama, Jakarta, 2003. ◦
Chapman, Stephen J. 1991. Second Edition Electric Machinery Fundamentals.
Singapore: McGraw-Hill Book Co. ◦
Abduh, S,. Teknik Tegangan Tinggi Dasar Pembangkitan dan Pengukuran , Salemba
Teknika, Jakarta, 2003. ◦
Li strik 2000 (PUIL Badan Standarisasi Nasional (BSN), Persyaratan Umum Instalasi Listrik
2000) ◦
http://akintakin.blogspot.com/2011/04/pe http://akintakin.blogs pot.com/2011/04/pengukuran-tegang ngukuran-tegangan-tinggi.html an-tinggi.html
tanggal 22 April 2013]
[diakses
