TEKNIK PEMBANGKITAN DAN PENGUJIAN DENGAN TEGANGAN TINGGI IMPULSKeperluan dan Fungsi ImpulsKecuali tegangan lebih dalam yang telah diuraikan dalam Bab 1, ada tegangn lebih luar yaitu yang disebabkan karena pelepasan muatan oleh petir. Tegangan lebih ini mempunyai bentuk gelombang aperiodik yang diredamkan (damped aperiodic)seperti pada waktu pelepasan muatan sebuah kapasitor melalui sebuah tahanan yang induktif. Pada tempat yang terkena petir, gelombangnya berekor pendek dan bermuka curam. Selama gelombang ini berjalan melalui kawat transmisi bentuknya berubah (mukanya menjadi kurang curam dan ekornya bertambah panjang dan amplitudonya berkurang), oleh karena pengaruh penghantaran dalam tanah dan efek kulit dalam kawat. Untuk dapat menjalankan eksperimen dan riset mengenai ketahanan peralatan terhadap gelombang petir (dan surja hubung), maka perlu didefenisikan bentuk gelombang referensi yang merupakan kompromi antara bentuk gelombang yang berbahaya yang didapati dalam praktek. Besarnya tegangan impuls yang diterapkan pada alat alat listrik untik menguji ketahan terhadap petir di tetapkan dalam standar. Hal ini tergantung pada tempatnya dalam sirkuit; makin dekat alat ini kepada sumber petir dan makin besar kemungkinannya kena petir, maka makin tinggi tegangan yang harus diterapkan. Bentuk Tegangan ImpulsBentuk tegangan impuls yang dipakai di laboratorium adalah tegangan yang naik dalam waktu yang singkat sekali, disusul dengan penurunan yang lambat menuju nol, yaitu dapat dinyatakan dengan persamaan:). (3.1)Bentuk gelombang semacam ini mudah dibuat, yaitu dengan menetapkan konstanta a dan b. Harga maksimumnya disebut harga puncak (peak atau crest) dari tegangan impuls dinyatakan dengan harga ini.Muka gelombang didefenisikan sebagai bagian dari gelombang yang dimulai dari titik nol (nominal) sampai titik puncak, sedengkan sisanya disebut ekor gelombang. Setengah puncak gelombang adalah titik titik pada pulsa dan ekor dimana tegangannya adalah setengah puncak (titik 0.5 pada gbr 3.1 (a)). Menurut standar jepang lamanya muka gelombang didefenisikan sebagai hasil bagi antara lamanya tegangan naik dari 10% samapai 90% dari punacak dan 0.8.

Gbr. 3.1 (a)Keterangan:Vs: tegangan puncakTt: ekor gelombang = 50sTt: muka gelombang = 1.2sV: Kelebihan tegangan 0.05 x VsWaktu samapai setengah puncak (time to half value) dari ekor gelombang didefenisikan sebagai waktu dari titik nol nominal sampai setengah puncak ekor. Kecuraman muka gelombang adalah kecepatan naiknya tegangan pada muka gelombang. Kecuraman muka rata rata untuk mudahnya dinyatakan sebagai perbandingan antara tegangan puncak dan lamanya gelombang.Prinsip Generator Impuls RLCPrinsip generator impuls RLC dapat diterangkan dengan bantuan gbr 3.2. kapasitor C diberikan muatan dari sebuah sumber DC melalui tahanan pemuat r. percikan api antara sela api G terjadi pada waktu tegangan pemuat V mencapai suatu harga tertentu. Pada waktu itu muatan pada C dilepaskan melaui tahanan seri Rs, induktansi L , dan tahanan Ro. Dengan demikian tegangan impuls terjadi di antara terminal Ro. Tahanan Rs bertindak sebagai tahanan peredam (damping resistor) untuk menghindarkan osilasi frekuensi tinggi. Tahanan pelepas muatan (discharge resistor) Ro dipakai untuk mengatur bentuk ekor gelombang, sedangkan L bersama Ro mengatur muka gelombang.

Gbr. 3.2Menurut Fryxell dengan sirkuitnya dinyatakan dalam gambar 3.3 rumus yang mengatur hubungan antara muka dan ekor gelombang adalah sebagai berikut.(3.2).(3.3)

Gbr 3.3Atau..(3.4)Untuk ekor gelombang Hicking mempunyai rumus yaitu,.(3.5)Dalam sirkuit ini harus diperhatikan bahwa harus mempunyai harga yang kecil untuk menghindarkan terjadinya osilasi.

PERSAMAAN DASAR UNTUK SIRKUIT RLCDidalam Gbr 3.2 bila dianggap bahwa 2 Cr CR dimana R = Ro + RsMaka, .(3.6)Sehingga, .(3.7)Oleh karena persamaan diatas dapat dinyatakan sebagai I = A , maka dengan mensubstitusikan dalam persamaan tersebut diperoleh :

Dimana, ; .(3.8)Jadi, penyelesaian umum adalah,.(3.9)Dimana A1 dan A2 adalah konstanta integral yang dapat ditentukan dari kondisi permulaan t = 0 :I = 0 dan .(3.10)Bila persamaan (3.10) dimasukkan dalam persamaan (3.9), maka diperoleh,..(3.11)Sehingga, ..(3.12)Rumus tegangan impuls,

.(3.13)Dimana,..(3.14).(3.15)ANALISA PERSAMAAN IMPULS RLCUntuk menemukan harga 1 dan 2 diperlukan 2 persamaan yaitu, 1. Yang menyatakan bahwa Tf terjadi pada titik maksimum, yaitu pada waktu , dari sini dihasilkan : .(3.16)2. Yang menyatakan bahwa tegangan impulsnya menurun menjadi setengahnya pada waktu Tt atau.(3.17)Karena dalam persamaan ini terlalu sulit maka dapat dipakai penyederhanaan seperti ini.

Karena itu,

Sehingga bila persamaan (3.16)dimasukkan kedalam persamaan (3.17)terjadi penyederhanaan: .(3.18)Dimana Apabila ditulis, Maka persamaan (3.18) menjadi: .(3.19)Selnjuntnya bila

Maka,

Jadi persamaannya dapat ditulis,

Komponen lain dapat dihitung dari pesamaan

Tabel 3.1Bentuk Gelombang2 - 2LCRC

1 X 402,7682,750,121,754,4

1 X 503,0443,0290,086211,670,6

1,5 X 401,7661,7570,064215,655,4

Di dalam bentuk yang lebih rill maka parameter dari generator impuls dapat ditentukan dari dan .

Sehingga,

PRINSIP GENERATOR IMPLUS

Gambar 3.4 (a)Dari gambar 3.4 didapat rumus tegangan yaitu,

Gambar 3.5Cs: kapasitansiCs: jumlah kapasitansirs : tahanan peredam dalam per unit kapasitorRs1: tahanan peredam dalam (total)g : sela bolaro: tahanan pelepas per unit kapasitorRo: tahanan pelepas (total)Rs2:tahanan peredam luarCo: kapasitansi bebanDimana,

Bila ditulis bahwa,

Maka,

Dimana,

Disini P dan Q hanya rill bila

Sehingga syarat yang harus dipenuhi oleh Y adalah

Khusus untuk bentuk gelombang = 1 X 40 telah dihitung bahwa

Dimana,

EFESIENSI TEGANGAN

Untuk sirkuit RLC efesiensinya dinyatakan oleh rumus,

Khusus untuk = 1 X 40

Harga M disini adalah fungsi dari Y. Khusus untuk = 1 X 40 efesiensinya adalah

Gambar 3.4 (b)Dari gambar 3.4 (b) didapat efesiensi

Persoalan pengaturan Bentuk GelombangDi muka telah diuraikan sedikit mengenai cara mengatur bentuk gelombang sebuah generator impuls. Disini uraian ini akan diperluas dengan beberapa perhitungan. Untuk sirkuit RLC seperti terlihat pada Gbr. 3.2, bila Tt >> Tf diketahui, makaRumus

Ini Berarti bahwa Tf terutama diatur oleh L, sedang Tt terutama diatur oleh R dan C. Untuk sirkuit Fryxell sudah disimpulkan bahwa pembangkitan bentuk gelombang yang tepat adalah sulit sekali., terutama karena hal ini juga tergantung kepada specimen yang diuji. Hal ini dulu kurang diung diperhatikan oleh karena dianggap kurang perlu. Yang menjadi pegangan waktu itu hanyalah bahwa kapasitas dari specimen yang diuji (C2 dalam gbr 3.3) kecil dibandingkan dengan kapasitas dari generator impuls sendiri. Sekarang oleh karena pentingnya pengaturan bentuk yang lebih tepat maka tiap-tiap persoalan ditinjau sendiri secara khusus. Transformator yang berkapasitas besar (jadi, L2 dalam Gbr 3.3 rendah), misalnya sukar diatur Tt-nya, sedang bushing tegangan tinggi (C2 dalam gbr 3.3 besar) demikian pula (sukar untuk mencapai toleransi 50%). Di dalam praktek setiap specimen yang diuji mempunyai cirri khas karena sedikit banyak ada induktansi, kapasitansi, kapasitansi atau mutual coupling yang tidak diinginkan (stray parameters).Untuk rangkaian RC seperti Gbr 3.6 waktu muka kira-kira sebanding dengan C0 (Rs1 + Rs2), dan ekor gelombang tergantung pada CsR0. Tahanan pelepas R0 dipakai untuk mengatur bentuk gelombang ekor.

3.9 Sirkuit RLC praktis3.9.1 Cara memberi muatanGenerator impuls yang dipakai untuk pengujian tegangan impuls tidak terdiri dari sebuah kapasitor C sebagai digambarkan di muka, tetapi adalah sebuah generator yang terdiri dari beberapa tahap (multi stage generator)tan secara parallel. Kapasitor dalam setiap tahap diberi muatannya secara seri melalui sela api (spark gaps).Cara member muatannya dua macam : seri dan parallel. Gbr 3.8menggambarkan cara seri, dimana tahanan pemuatnya semuanya dihubungkan secara seri. Tiga sela bola dalam tahap yang terendah dipakai untuk memudahkan lompatan api di antara sela seri.

Gambar

Gbr. 3.9 menyatakan sirkuit parallel di mana tiap tahanan secara parallel. Dalam hal ini lompatan api dapat dijalankan dengan mudah sekali. Kerugian dari cara parallel dibandingkan dengan cara seri ialah bahwa tiap tahanan pemuatnya harus diisolasikan terhadap seluruh tegangan pemuat (atau setengahnya). Hal ini tentu saja merugikan terutama olek karena tidak ekonomis dan teknis lebih sukar dilaksanakan.

3.9.2. Cara mulai dan mengatur teganganDalam praktek pengujian diinginkan supaya tegangan impuls itu sampai pada specimen yang diuji tepat pada saat yang dikehendaki, artinya waktu mulainya pelepasan muatan (discharge) harus ada di tangan operator. Untuk itu harus diadakan sebuah sela mulai (starting-gap) yang terletak pada bagian yang rendah tegangannya. Ada dua macam cara yaitu : (1) dimana pelepasan buatan dengan bantuan sebuah sela khusus.Untuk mengadakan mengadakan operasi ang simultan antara generator impuls dan pesawat pencatat (misalnya osilograf), maka biasanya dipakai sebuah sela mulai yang dilepaskan dengan cara listrik. Gbr 3.10 menggambarkan sebuah sela mulai yang mempunyai sela-jarum di tengahnya. Dalam sela ini elektroda tegangan tingginya adalah sebuah bola. Elektroda tanahnya adalah sebuah setengahnya-bola yang mempunyai lubang silindris dimana dimasukkan sebuah jarum logam (baja). Sela antara jarum dan setengah-bola kira-kira 1 mm. Sebuah tabung gelas diselbungkan pada jarum. Tabung gelas ini kemudian diselaputi dengan lapisan logam yang dihubungkan dengan elektroda tanah. Apabila sebuah pulsa sampai pada jarum, lebih rendah dari pada tegangan yang seharusnya apabila tidak ada pulsa yang datang. Dalam hal ini fungsi dari pada tabung gelas adalah untuk mempercepat adanya korona (er lebih besar), sehingga memungkinkan adanya foto ionisasi di dalam sela anular (antara jarum dan setengah bola) dan sela utama, yang mengakibatkan lebih cepatnya percikan api. Caranya ialah dengan member muatan kepada generator impuls sampai kepada tegangan yang lebih rendah dari tegangan gagal (breakdown). Sela utama, lalu memulai operasi dengan mengirimkan pulsa melewati jarum logam tadi. Tegangan pulsa yang diperlukan untuk memungkinkan mulainya percikan adalah kira kira 5 10 kV.Contoh dari sirkuit untuk ini dinyatakan dalam gbr 3.11. dalam gambar ini, titik PI dn P2 dimuati dari sebuah sumber DC, masing masing K1 dan K2, yang diberi tegangan pemuat 5-10 kV. Bila sela pencetus (triggering-gap) G1 dimulai oleh pulsa yang dikirim dari osiloskop, maka potensial P1 tiba tiba menjadi nol, sedang potensial P2 menjadi dua kali tegangan pemuat. Oleh sebab itu terjadi percikan pada sela G2 yang mengakibatkan tegangan tegangan yang terjadi pad P3 dibulatkan seperti terlihat pada Gbr 3.12. jadi, apabila tegangan V diperlukan untuk mencetuskan sela pencetus, maka mulainya generator impuls ditunda selama waktu OT. Waktu penundaan ini tentu saja diatur oleh C.

CARA MENGUKUR TEGANGAN IMPULSDengan menggunakan sela bola Meter yang dipakai untuk mengukur tegangan impuls selalu harus ditera dengan tegangan percikan 50% (disingkat 50% sparkovervoltage, SOV) dari sebuah sela-bola standar yang dihubungkan dengan terminal generator. Adapun yang dimaksud dengan sela-bola standar ialah sela-bola yang memenuhi syarat standar mengenai kwalitas, jarak (sela) antara bola dan ukuran bola. Dalam keadaaan udara tertentu, sebuah sela-bola mempunyai tegangan percikan tertentu pula. Itula sebabnya ia dapat dipakai sebagai alat pengukur tegangan. Untuk menetapkan 50% SOV ini tiap perbandingan Bila perbandingan ini antara 20 dan 80%, maka 50% ditetapkan secara interpolasi. Ada cara lain untuk menentukan 50% SOV ini, yaitu cara naik turun, yang lebih lazim dipakai. Mula-mula tegangan puncak yang besarnya hampir sama dengan tegangan percikan minimum dari sela-bola diterapkan pada sela tersebut. Apabila percikan terjadi, maka tegangannya diturunkan setingkat. Tegangan ini diterapkan lagi pada sela bola. Apabila mash ada percikan tegangannya diturunkan lagi. Apabila tidak, tegangannya dinaikan. Prosedur ini diulangi tiga puluh sampai lima puluh kali. Misalnya, hasilnya dinyatakan oleh Gbr 3.13. Dalam gambar ini O menyatakan adanya percikan, sedang tanda X menyatakan tidak adanya percikan. Dengan menggunakan tanda X disusun tabel 3.2.GambarBesarnya 50% SOV adalah :Vs= Vminimum + (Vi-Vi-1)(GambarBesarnya 50% SOV adalah :Vs= Vminimum + (Vi-Vi-1)(+)Dimana Vmin= tegangan yang terjadi pada tanda X yang terendahVi= teggan pda tingkat I (tertinggi)Dari tabel 3.1 didapat Vs=28+(32-31)(Vs*=V*min + (Vi-Vi-i)Sudah barang tentu, apabila jumlah contoh (titik) yang diambil cukup banyak, maka berlaku : Vs=Vs*Apabila hendak dilakukan pengukuran terhadap simpuls pogangan impuls positif dengan sela-bola yang diameternya sama atau kurang dari 12,5 cm, maka diperlukan penyinaran ultra-violet terhadap sela-bola.Apabila dipakai tegangan impuls negative, makapenyinaran hanya diperlukan bila tegangan yang diukur kurang dari 50kV. Percikan impuls dari sebuah sela bola, sangat dipengaruhi oleh penyinaan ultra violet. Hal ini tidak berlaku untuk tegangan AC. Untuk tegangan impuls penyinaran lebih berpengaruh pada impuls positif dari pada impuls negative. Untuk mudahnya dapat diingat bahwa penyinaran diperlukan untuk diameter kurang dari 12,5 cm, dan tidak dipelukan lagi untuk diameter lebih besar dari 15cm.Untuk tegangan impuls negative, penyinaran hanya berpengaruh untuk tegangan kurang dari 50 kV, dan tidak mempunyai efek apa-apa untuk tegangan yang lebih tinggi. Dengan Menggunakan CROCathode-Ray Oscillograph (CRO) adalah alat pengukur yang terpenting oleh karena yang diukur bukan hanya puncak dan bentuk tegangan impuls saja, tetapi juga ketidak normalan dalam bentuk yang terlihat, yang menggambarkan kerusakan yang terjadi pada alat yang diuji.Oleh karena tegangan yang dapat diterapkanpada plat CRO terbatas sekali, maka alat ini harus dipakai bersama dengan pembagi tegangan. Untuk CRO yang harus dibagi bukan hanya puncak, tetapi juga seluruh bentuk tegangan.Gambar 3.14 menunjukkan sebuah sirkuit pengukuran dengan pembagian tahanan. Untuk menghindarkan osilasi, maka perlu diperhatikan syarat-syarat umum yang berlaku, dan syarat-syarat lain yang dinyatakan dalam gambar tersebut sebagai:

Tegangan Tinggi Impuls

aa , bb r PApabila syarat tersebut dipenuhi, maka sirkuit pengukurannya dapat disederhanakan menjadi sirkuit-ekivalent seperti tertera pada gambar 3.15. bila maka bentuk gelombangnya berubah oleh karena adanya refleksi yang keluar masuk kabel pengukur. Tetapi distorsi (perubahan bentuk) ini berkurang sekali bila . PENGARUH terapung-nya potensial tanah tidak dapat dihilangkan bila atau .Besarnya harga pembagi (dividing ratio) dapat dihitung dengan menggunakan gambar 3.15, yaitu pembandingan antara tegangan yang diterapkan pada plat defleksi CRO dan tegangan yang sebenarnya diterapkan pada specimen yang diuji:

Pada waktu menggunakan CRO harus diperhatikan bahwa jarak antara alat ini dengan generator impuls cukup besar untuk menghindarkan pegaruh induksi. Apabila hal ini tidak mungkin dilaksanakan, maka CRO harus dilndungi (shielded) terhadap pengaruh tersebut. Ketelitian dari CRO sendiri kira-kira 2%. Tetapi karena alat ini hampir selalu dipakai bersama dengan sirkuit lain, maka ketelitian pengukuran menjadi berkurang. Factor Koreksi Keadaan Udara dalam Pengujian ImpulsUntuk pengujian impuls berlaku juga ketentuan-ketentuan tentang factor koreksi keadaan udara. Dalam klasifikasi gelombang impuls ini termasuk surya hubung. Konstruksi Generator ImpulsContoh konstruksi generator impuls tertera pada gambar 3.16. generator ini terdiri dari 10 tahapan dan mempunyai tegangan nominal 750 kV. Oleh karena ada jatuh tegangan dari generator, maka tegangan penguji hanya 600 kV besarnya. Oleh karena jumlah kapasitasnya 0,05 F, maka tenaga yang tersimpan pada waktu pelepasan muatan adalah:

Untuk pengujian biasa hanya dibutuhkan tenaga

Pengujian biasa meliputi pengujian terhadap isolator, sakelar, gandengan isolator, dan sebagainya. Oleh karena itu generator yang tergambar diatas mempunyai cukup tenaga untuk pengujian-pengujian khusus seperti pengujian impedansi rendah.

Hubungan antara tegangan nominal dan tegangan pemuat maksimum dinyatakan oleh:

Dimana, n = jumlah tahapan generator = tegangan pemuat maksimumDari rumus ini diperoleh dua kemungkinan untuk mencapai suatu harga tegangan nominal. Bila rendah, maka jumlah tahapan yang diperlukan besar. Jumlah n kecil (2 atau 3) menguntungkan karena bentuknya yang sederhana dank arena alatnya dapat dipakai juga untuk menguji tegangan tinggi searah. Tetapi karena kecil jumlah tahapannya, maka tegangan pemuatnya menjadi tinggi sehingga sukar untuk menghindarkan adanya korona pada kawat-kawat penghubung. Sebaliknya,jumlah tahapan yang besar menguntungkan karena keluwesan pemakaiannya. Jadi, dalam menentukan pilihan terhadap suatu generator, harus dipertimbangkan factor-faktor tehnis dan ekonomis dari jumlah tahapan yang akan dipergunakan.Cs

L1

R3

G

L3

L2

R1

Rp

C1

C2

DC

Benda yg diuji

V

C

Rs

Co

Ro

spesimen

RS1 = nrs

Cs = Cs/n

Rs2

Ro = nro

Co

g

C

Rs

Co

Ro

spesimen

r1

r2

r3

C

L

C

C

C

C

C

C

C

Rs

Rs

r1

Rs

Rs

Rs

rp

rp

r2

r3

CRO

Rs

Rs

Rs

rC

rC

rC

rC

rC

rC

rC

rC

rC

rs

rs

rs

C

C

C

K2

K1

50k

G1

0.2 F

50k

0.2 F

35k

450k

0.01 F

CR0

P2

P1

P3

LG

R1

R3

R2

d

R4

a

a

b

b

R5

R6

r

r

P

R5/n

R6/n

R1

(I1+I2)

R3

I2

I1

R5

P

R5n

Page

Title

Title

Y-Axis

X-Axis

Drag the side handles to change the width of the text block.

Laggards

Late Majority

Early Majority

Early Adopters

Innovators

"The Chasm"

Technology Adoption Process

Y-Axis

r

r

C

G

Rs

L

Ro

Benda yg diuji

V

V

DC