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.