modul 1 file

LABORATORIUM TEGANGAN TINGGI

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

UNIVERSITAS BRAWIJAYA MALANG

Semester: .......................

Percobaan I : PEMBANGKITAN DAN PENGUKURAN

TEGANGAN TINGGI BOLAK BALIK

Tanggal Praktikum : ...................................................

Nama Praktikan : ...................................................

Nama Asisten Pembimbing : ...................................................

Tanda Tangan Asisten Pembimbing ........................................

Mengetahui,

Koordinator Asisten

...............................

NIM.

PERCOBAAN 1

PEMBANGKITAN DAN PENGUKURAN TEGANGAN TINGGI

BOLAK-BALIK

1.1 TUJUAN

Setelah melakukan percobaan ini, diharapkan mahasiswa:

1. Mampu memahami dan menguasai cara pembangkitan tegangan tinggi bolak-

balik.

2. Dapat mengetahui dan menguasai metode-metode pengukuran tegangan tinggi

bolak-balik dengan sela bola, rangkaian penyearah, dan rasio belitan.

1.2 DASAR TEORI

Tegangan tinggi bolak-balik banyak dipergunakan untuk pengujian peralatan listrik

yang memiliki kapasitansi besar seperti kabel tegangan tinggi dan isolator, untuk

penelitian, dan sebagai sumber untuk pembangkitan tegangan tinggi searah dan impuls,

utamanya pada percobaan di laboratorium.

1.2.1 Pembangkitan Tegangan Tinggi Bolak-Balik

Untuk membangkitan tegangan tinggi bolak-balik di laboratorium, maka digunakan

transformator uji tegangan tinggi tiga belitan (dapat digunakan untuk rangkaian bertingkat

kaskade). Jenis transformator ini memiliki perbandingan belitan yang sangat besar antara

belitan tegangan tinggi H dan belitan tegangan rendah atau eksitasi E.

Transformator uji tegangan tinggi tersebut mampu menghasilkan tegangan yang

sangat tinggi namun menyerap daya yang lebih rendah dibanding dengan trafo daya.

Keuntungan lainnya ialah dapat membangkitkan tegangan tinggi hingga di atas ratus kV

dengan menyusun beberapa trafo uji tersebut secara seri atau susunan kaskade.

1.2.2 Pengukuran Tegangan Tinggi Bolak-Balik

Pada percobaan ini, pengukuran tegangan tinggi bolak-balik dapat dilakukan dengan

menggunakan tiga buah metode yaitu:

1. Sela bola.

2. Rangkaian penyearah.

3. Rasio belitan.

Percobaan 1 I – 1

1.2.2.1 Pengukuran Tegangan Puncak dengan Sela Bola

Apabila besar tegangan uji yang diterapkan pada suatu sela bola di dalam udara

melampaui nilai tegangan tembus statisnya, maka dalam selang waktu beberapa μs terjadi

tembus elektrik pada sela bola tersebut. Selama selang waktu itu, nilai puncak tegangan

tinggi bolak-balik pada trafo dianggap konstan. Dengan demikian dapat disimpulkan

bahwa tembus elektrik pada gas atau udara dengan menerapkan tegangan tinggi bolak-

balik frekuensi rendah, selalu terjadi pada saat nilai puncak tegangannya.

Menurut standard IEC dan VDE, tegangan tembus elektrik suatu sela bola pada

kondisi atmosfer standar (p0 = 760 torr = 1013 mbar dan t0 = 200C = 2930K) untuk berbagai

diameter bola D ialah sebagai fungsi dari besar jarak sela s.

Ûd0 = f(D,s)

Karena kondisi atmosfer atau besar kerapatan udara yang sangat bervariasi menurut

waktu dan tempat, maka menyebabkan karakteristik tembus juga terpengaruh perubahan

kondisi atmosfer. Menurut Kuffel dan Zaengl, besar tegangan tembus elektrik (Ud = Ûd)

pada berbagai kondisi atmosfer dirumuskan sebagai berikut:

Ud = δÛd0 (1.1)

δ = (p dalam torr) (1.2)

δ = (p dalam mbar) (1.3)

dengan substitusi persamaan 1.3 ke dalam persamaan 1.1, didapatkan:

Ud = Ûd0 (1.4)

keterangan:

Ûd0 = tegangan tembus untuk sela bola menurut Schwaiger pada kondisi kerapatan udara standar (kV)Ud = tegangan tembus yang terjadi pada sela bola (kV)δ = faktor koreksi atau disebut sebagai kerapatan udara relatifp = tekanan udara pada ruangan (mbar)t = temperatur udara pada ruangan (0C)s = jarak sela bola (cm)D = diameter bola (cm)

1.2.2.2 Pengukuran Tegangan Rata-rata dengan Rangkaian Penyearah

Percobaan 1 I – 2

t

p

t

p

273386,0

273

293

760

t

p

t

p

273289,0

273

293

1013

t

p

273289,0

Pada metode ini, trafo uji diseri dengan dioda tegangan tinggi sebagai penyearah

setengah gelombang. Tegangan pada terminal keluaran dioda ialah tegangan tinggi searah

yang mengandung ripel tegangan sebesar U karena adanya kapasitor perata. Besar

tegangan rata-rata akan terbaca pada alat ukur yaitu DGM yang terhubung dengan resistor

tegangan tinggi sebagai pembagi tegangan resistif (untuk lebih jelasnya, lihat gambar 1.2).

Tegangan yang terukur pada DGM ialah Udc, dan dengan menggunakan nilai tersebut

didapatkan besar tegangan tembus bolak-balik pada sela bola sebagai berikut:

Uac = kV (1.5)

1.2.2.3 Pengukuran Tegangan Puncak dengan Rasio Belitan

Rasio belitan pada trafo uji tegangan tinggi merupakan perbandingan antara jumlah

lilitan tegangan tinggi atau sekunder dengan lilitan tegangan rendah atau primer.

(1.6)

keterangan:

UE nom = tegangan nominal primer trafo (V)UH nom = tegangan nominal sekunder trafo (kV)

Besar tegangan di atas dapat dilihat pada name plate trafo uji.

Pada Gambar 1.1.b ditunjukkan rangkaian ekivalen dari trafo uji tegangan tinggi.

Dari gambar tersebut terlihat bahwa rangkaian ekivalen trafo uji tersebut tidak sama

dengan rangkaian ekivalen trafo pada umumnya. Hal ini akibat adanya kapasitansi sendiri

Ci dari belitan tegangan tinggi yang paralel dengan kapasitansi objek uji Ca. Dengan

demikian total kapasitansi pada sisi sekunder trafo uji ialah C = C i + Ca dan besar

impedansi hubung singkatnya adalah Rk + jLk.

Dari diagram fasor pada Gambar 1.1.c, dapat disimpulkan bahwa besar tegangan

sekunder trafo uji Us tidak sama dengan Up’.

Up’ = Up (1.7)

Us = Up’ = Up’ (1.8)

keterangan:

Up = tegangan primer trafo (V)Up’ = tegangan pada sisi sekunder trafo dengan sisi primer sebagai referensi (kV)Us = tegangan sekunder trafo (kV)

Percobaan 1 I – 3

2dcU

E

H

N

N

nomE

nomH

U

U

nomE

nomH

U

U

CLk21

1

kU1

1

Uk = persentase tegangan hubung singkat trafo uji (%)

Nilai Uk dapat dilihat pada name plate trafo uji. Karena nilai 1-Uk yang selalu lebih

kecil dari 1, maka akan diperoleh peningkatan tegangan sekunder trafo uji atau Us Up’,

sehingga penentuan nilai Us tidak dapat dihitung langsung berdasarkan perbandingan rasio

belitan trafo uji melainkan harus memperhitungkan juga besar Uk trafo tersebut.

Gambar 1.1 Rangkaian dasar trafo uji tegangan tinggi

(a) Diagram rangkaian

(b) Rangkaian ekivalen

(c) Diagram fasor

1.3 PELAKSANAAN PERCOBAAN

1.3.1 Rangkaian Percobaan

Percobaan 1 I – 4

~CiUp’ Us Ca

Up

C

Rk Lk

Up’ US

Ī

Ī

Rk Ī

jLk Ī

US

Up’

(a)

(b) (c)

NH

NE

Gambar 1.2 Rangkaian percobaan pembangkitan dan pengukuran tegangan tinggi bolak-balik

DGM

~RM

D1 D2

CM

TU RL

SB

1.3.2 Komponen-komponen Pada Rangkaian Percobaan

TU : ............................................................................................................ ............................................................................................................

RL : ............................................................................................................ ............................................................................................................

SB : ............................................................................................................ ............................................................................................................

D1, D2 : ............................................................................................................ ............................................................................................................

CM : ............................................................................................................ ............................................................................................................

RM : ............................................................................................................ ............................................................................................................

DGM : ............................................................................................................ ............................................................................................................

1.3.3 Deskripsi Rangkaian Percobaan

Percobaan 1 I – 5

1.3.4 Prosedur Percobaan

Berikut ini langkah-langkah untuk melaksanakan percobaan:

a. Susun komponen-komponen rangkaian seperti ditunjukkan pada Gambar 1.2.

b. Catat nilai temperatur dan tekanan udara di dalam ruangan laboratorium pada saat

dilakukan percobaan. Catat pula besar Uk, UE nom, dan UH nom yang tertera pada

name plate trafo uji.

c. Pada percobaan, besar diameter elektroda bola yang dipakai ialah d = 5 cm dan

jarak sela s diubah-ubah mulai dari 5, 10, 15, dan 20 mm.

d. Nyalakan control desk untuk memulai percobaan sesuai dengan prosedur

penggunaan control desk.

e. Naikkan tegangan primer TU hingga terjadi tembus listrik pada SB. Catat besar

tegangan tembus Udc yang terbaca pada alat ukur DGM dan tegangan primer trafo

Up.

f. Lakukan langkah e sebanyak tiga kali untuk setiap perubahan jarak sela, kemudian

semua data hasil percobaan ditulis pada Tabel 1.1.

g. Selesai percobaan, matikan control desk sesuai prosedur penggunaan control desk

dan kembalikan komponen percobaan pada tempatnya.

1.4 TAHAP ANALISIS DATA PERCOBAAN

Tata cara menganalisis data hasil percobaan adalah sebagai berikut:

a. Hitung besar Ud untuk setiap perubahan jarak sela menggunakan persamaan 1.4.

Catat nilai-nilai Ud tersebut pada Tabel 1.2.

Percobaan 1 I – 6

b. Hitung besar Uac untuk setiap perubahan jarak sela menggunakan persamaan 1.5,

kemudian hitung nilai rata-rata Ūac. Catat nilai-nilai Uac dan Ūac tersebut pada

Tabel 1.3.

c. Hitung besar Up’ dan Us untuk setiap perubahan jarak sela berturut-turut

menggunakan persamaan 1.7 dan 1.8, kemudian hitung nilai rata-rata Ū s. Catat

nilai-nilai Up’, Us, dan Ūs tersebut pada Tabel 1.4.

d. Dari hasil percobaan dengan metode sela bola, buat kurva Ud fungsi s (Grafik 1.1).

1.5 DATA HASIL PERCOBAAN

Tabel 1.1 Hasil percobaan pembangkitan dan pengukuran tegangan tinggi bolak-balik

Jarak sela s (mm) Data ke- Udc (kV) Up (V)

5

1

2

3

10

1

2

3

15

1

2

3

20

1

2

3

pudara = ………mbar, t = ……...0C

Uk = ………%, UE nom = ………V, UH nom = ………kV

1.6 ANALISIS DATA PERCOBAAN

1.6.1 Perhitungan Data Percobaan

Percobaan 1 I – 7

a. Metode Sela Bola

Tabel 1.2 Perhitungan Ud pada pengukuran dengan metode sela bola

Jarak sela s (mm) Ûd0 (kV) Ud (kV)

5 17,4

10 32

15 46,2

20 59,5

b. Metode Rangkaian Penyearah

Tabel 1.3 Perhitungan Uac dan Ūac pada pengukuran dengan metode rangkaian penyearah

Jarak sela s (mm)

Uac (kV)Ūac (kV)

Data ke-1 Data ke-2 Data ke-3

5

10

15

20

c. Metode Rasio Belitan

Tabel 1.4 Perhitungan Up’, Us, dan Ūs pada pengukuran dengan metode rasio belitan

Jarak sela s (mm)

Data ke-

Up’ (kV) Us (kV) Ūs (kV)

5

1

2

3

10

1

2

3

Percobaan 1 I – 8

15

1

2

3

20

1

2

3

1.6.2 Grafik Hasil Percobaan

Grafik 1.1 Ud fungsi s

1.6.3 Penjelasan Grafik

Percobaan 1 I – 9

60

55

50

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

Ud (kV)

5 10 15 20 25s (mm)

1.7 KESIMPULAN

Percobaan 1 I – 10

1.8 TUGAS

1. Dari analisis data hasil percobaan, menurut anda metode apakah yang lebih teliti

untuk melakukan pengukuran tegangan tinggi bolak-balik?jelaskan mengapa

demikian!

2. Jelaskan mengenai prinsip dasar rangkaian penyearah sebagai salah satu metode

pengukuran tegangan tinggi bolak-balik!

3. Jelaskan secara singkat disertai gambar, efek Ferranti pada trafo uji tegangan

tinggi!turunkan rumus perhitungan Us pada persamaan 1.8!

Percobaan 1 I – 11




Semester: .......................

Percobaan II : FAKTOR EFISIENSI MEDAN LISTRIK PADA

BEBERAPA BENTUK GEOMETRIS ELEKTRODA


Nama Praktikan : ...................................................



Mengetahui,

Koordinator Asisten

...............................

NIM.

PERCOBAAN 2

FAKTOR EFISIENSI MEDAN LISTRIK PADA BEBERAPA

BENTUK GEOMETRIS ELEKTRODA

2.1 TUJUAN


1. Mampu menentukan besar efisiensi medan listrik pada bermacam-macam

konfigurasi susunan elektroda dengan bentuk geometris yang berbeda.

2. Dapat mengetahui pengaruh dari bentuk geometris elektroda terhadap kuat medan

listrik dan tegangan tembusnya.

2.2 DASAR TEORI

Besar faktor efisiensi medan listrik (η ) pada berbagai konfigurasi susunan elektroda

dengan bentuk geometris tertentu dapat didefinisikan menurut Schwaiger sebagai berikut:

η = (2.1)

atau

= (2.2)

= (2.3)

keterangan:

η = efisiensi medan listrik pada susunan elektroda

= kuat medan listrik rata-rata (kV/cm)

= kuat medan listrik lokal tertinggi (kV/cm)

= tegangan tembus pada susunan elektroda (kV) = jarak sela antar elektroda (cm)

= 1 kV/cm

Pada susunan elektroda keping sejajar, distribusi medan listriknya homogen sehingga

besar sama dengan . Sebaliknya pada distribusi medan listrik non

homogen akan terdapat kuat medan listrik lokal pada daerah tertentu yang nilainya lebih

besar dari kuat medan listrik rata-ratanya. Dengan demikian maka batas nilai faktor

Percobaan 2

maksimum

ratarata

E

E

ratarataE maksimumE

maksimumE m

d

s

U

ratarataE

maksimumE

dU

s

m

maksimumE ratarataE

II – 1

efisiensi medan listrik untuk berbagai susunan elektroda dengan bentuk geometris tertentu

memenuhi syarat:

η ≤ 1

Besar faktor efisiensi medan listrik bergantung pada bentuk geometris dari susunan

elektroda, yaitu untuk susunan elektroda yang memberikan distribusi medan listrik

homogen semisal susunan pelat datar sejajar maka η = 1, sedangkan pada susunan

elektroda yang menghasilkan distribusi medan listrik non homogen seperti jarum-piring,

batang-bola, maka nilai η < 1.

Selain mengacu pada persamaan 1, faktor efisiensi medan listrik dapat pula

ditentukan secara empiris dengan menyatakan η sebagai fungsi dari satu atau dua besaran

karakteristik geometris susunan elektroda p dan q. Berdasarkan pada buku faktor efisiensi

geometri elektroda menurut Schwaiger halaman pertama, maka:

p = (2.4)

q = (2.5)

keterangan:

s = jarak sela (cm)r, R = jari-jari elektroda (cm) dengan r < R

Nilai dari η fungsi p dan q tersebut untuk bermacam-macam susunan elektroda

nantinya dapat dilihat pada buku faktor efisiensi geometri elektroda menurut Schwaiger.

Apabila besar efisiensi medan η diketahui, maka kuat medan listrik yang menyebabkan

terjadi tembus pada dielektrik dalam sela elektroda dapat ditentukan yaitu:

=

= (2.6)

keterangan:

= tegangan tembus pada susunan elektroda (kV)

= kuat medan listrik yang menyebabkan terjadi tembus (kV/cm)

Percobaan 2

r

rs

r

R

dU sEd

dE s

U d

dU

dE

II – 2



Gambar 2.1 Rangkaian percobaan dengan berbagai macam sela elektroda (SE)

Gambar 2.2 Susunan elektroda SE dengan variasi bentuk geometris sebagai

objek uji pada percobaan

1. elektroda piring-piring

2. elektroda bola-bola

3. elektroda batang-batang

4. elektroda jarum-jarum

5. elektroda jarum-piring

6. elektroda batang-piring

Percobaan 2

DGM

~

RM

D1 D2

CM

TU RL

SE

1 765432

d

s

II – 3

7. elektroda bola-piring


TU : ............................................................................................................ ............................................................................................................

RL : ............................................................................................................ ............................................................................................................

SE : ............................................................................................................ ............................................................................................................

D1, D2 : ............................................................................................................ ............................................................................................................

CM : ............................................................................................................ ............................................................................................................

RM : ............................................................................................................ ............................................................................................................

DGM : ............................................................................................................ ............................................................................................................

Deskripsi Rangkaian Percobaan

Percobaan 2 II – 4

Prosedur Percobaan



b. Urutan penggunaan objek uji SE dimulai dari elektroda piring-piring kemudian

diikuti sesuai urutan pada Gambar 2.2.

c. Pada percobaan, besar diameter elektroda bola yang dipakai ialah d = 5 cm dan

jarak sela s dibuat sama sebesar 15 mm.



e. Naikkan tegangan primer TU hingga terjadi tembus listrik pada SE. Catat besar

tegangan tembus Ud yang terbaca pada alat ukur DGM.

f. Lakukan langkah e sebanyak tiga kali, kemudian semua data hasil percobaan ditulis

pada Tabel 2.1.



TAHAP ANALISIS DATA PERCOBAAN


a. Hitung nilai rata-rata diikuti perhitungan sebesar (Tabel 2.1).

b. Untuk mendapatkan nilai efisiensi medan listrik η tiap-tiap susunan elektroda,

maka terlebih dahulu menghitung udara selama percobaan. Hitung besar p dan

q sesuai persamaan 2.4 dan 2.5 dengan cara mendapatkan nilai R dan r pada

susunan elektroda yang memiliki tertinggi.

c. Dari nilai p dan q, maka besar efisiensi η pada susunan elektroda tersebut dapat

dicari melalui grafik η = f (p) pada buku faktor efisiensi geometri elektroda

menurut Schwaiger halaman kedua.

d. Nilai dapat dihitung dengan memasukkan nilai η di atas ke dalam persamaan

2.6 ( = ).

Percobaan 2

dcU acU 2dcU

dE

acU

dE

acU dU

II – 5

e. Hitung η tiap susunan elektroda sesuai dengan persamaan 2.6.

f. Kemudian hitung nilai dan berdasarkan persamaan 2.2 dan 2.3.

Catat semua nilai dan pada Tabel 2.2.

DATA HASIL PERCOBAAN

Tabel 2.1 Hasil percobaan faktor efisiensi medan listrik pada beberapa bentuk geometris

elektroda

No. Susunan Elektroda (s = 15 mm) Udc (kV) (kV) (kV)

1. piring – piring

2. bola – bola

3. batang – batang

4. jarum – jarum

5. jarum – piring

6. batang – piring

7. bola – piring

Percobaan 2

maksimumE ratarataE

, maksimumE ratarataE

dcU acU

II – 6

Perhitungan η , Emaksimum, Erata-rata pada setiap susunan elektroda

No. Susunan Elektroda (s = 15 mm) Udc (kV) (kV) (kV)

pudara = ………mbar, t = ……...0C2.6 ANALISIS DATA

Pada Tabel 2.1, nilai Ud ( ) rata-rata tertinggi diperoleh pada susunan ………………….

didapatkan nilai efisiensi medan listrik pada susunan tersebut adalah:

p = , q =

No. η Emaksimum Erata-rata

Tabel 2.2 Kuat medan maksimum dan rata-rata untuk masing-masing susunan elektroda

No. Susunan Elektroda η Emaksimum (kV/cm) Erata-rata (kV/cm)

1.

2.

3.

Percobaan 2

sehingga Ed =

η =

dcU acU

acU

II – 7

No. Susunan Elektroda η Emaksimum (kV/cm) Erata-rata (kV/cm)

4.

5.

6.

7.

2.7 KESIMPULAN

2.8 TUGAS

1. Berapa besar kuat medan listrik tembus udara standar dari hasil percobaan? berikan

alasannya!


2. Bagaimana pengaruh bentuk geometris elektroda terhadap efisiensi medan η pada

percobaan?mengapa demikian?

3. Jelaskan tentang distribusi medan listrik homogen dan non homogeny!

4. Hitunglah efisiensi medan η dengan menggunakan persamaan 2.1, (gunakan

software FEMM untuk mencari Emaks) ! Bandingkan dengan perhitungan

sebelumnya!





Semester: .......................

Percobaan III : TEMBUS PADA GAS


Nama Praktikan : ...................................................



Mengetahui,

Koordinator Asisten

...............................

NIM.

PERCOBAAN 3

TEMBUS PADA GAS

3.1 TUJUAN


1. Mempelajari karakteristik tembus gas untuk berbagai tekanan.

2. Mempelajari kurva Paschen gas (kurva Ud fungsi ps).

3. Memahami pengaruh tekanan gas (udara) terhadap tingkat tegangan tembus pada

gas dengan tegangan tinggi bolak-balik dan tegangan tinggi searah.

3.2 DASAR TEORI

Berdasarkan teori yang terdapat pada hukum Paschen disimpulkan bahwa besar

tegangan tembus akan semakin meningkat ketika tekanan gas dinaikkan. Hal ini

disebabkan karena tekanan gas yang semakin tinggi mengakibatkan semakin rapatnya

molekul udara sehingga elektron untuk bergerak membutuhkan energi yang lebih besar.

Pada percobaan, besarnya nilai tekanan gas (p) pada tabung uji dapat dihitung dengan

menjumlahkan antara tekanan gas dalam ruangan dengan penambahan atau pengurangan

tekanan gas dalam tabung uji. Maka perhitungannya sebagai berikut:

p = pa + pb (3.1)

keterangan:

p = tekanan gas dalam tabung uji (mbar)pa = tekanan gas pada ruangan saat percobaan (mbar)pb = tekanan gas yang terbaca pada tabung uji (mbar)

Untuk menentukan nilai tekanan gas dan jarak sela (ps) yaitu pada percobaan ini

jarak sela elektroda dibuat tetap untuk perubahan pb, maka dapat digunakan persamaan

sebagai berikut:

ps =

p×s1000 (3.2)

keterangan:

ps = perkalian tekanan gas dan jarak sela (barmm)p = tekanan gas dalam tabung uji (mbar)s = jarak sela (mm)

Percobaan 3 III –1

3.2.1 Mekanisme Townsend

Gambar 3.1 Rangkaian percobaan tembus Townsend

Mekanisme Townsend menjelaskan tentang fenomena tembus hanya pada tekanan

rendah dan jarak sela yang kecil (ps ≤ 10 barmm) dengan medan homogen. Mekanisme

Townsend menyatakan dua hal penting yang menjadi dasar teorinya yaitu proses primer

(memungkinkan terjadinya banjiran elektron) dan proses sekunder (memungkinkan

terjadinya peningkatan banjiran elektron).

3.2.1.1 Proses Primer

Proses primer merupakan proses ionisasi. Karena radiasi eksternal (sinar ultra violet)

elektron akan dibebaskan dari katoda. Elektron ini akan dipercepat oleh medan listrik

menuju anoda dengan suatu gaya sebesar eE, dan energi (W) yang diberikan adalah

sebagai berikut:

W = e E x = 12

m v2

(3.3)

keterangan:

W = energi (Joule)e = muatan elektron (1,6 ¿ 10-19 C)E = intensitas medan (kV/m)m = massa elektron (gram)v = kecepatan elektron (m/s)x = jarak pengarah elektron (m)

Dalam pergerakannya menuju anode, elektron tersebut akan menumbuk molekul gas

dan menghasilkan ion-ion positif serta elektron-elektron bebas baru. Elektron bebas baru

ini akan membentuk banjiran elektron primer yang bergerak ke anode sebagai arus listrik.


3.2.1.2 Proses Sekunder

Bila elektron awal telah berhasil mencapai anode maka proses avalance tunggal telah

selesai. Ion positif yang terbentuk pada proses primer akan bergerak menuju katode dan

dipercepat oleh medan listrik. Ketika ion positif menumbuk katode maka elektron akan

dibebaskan ke luar permukaan katode dan terjadi penambahan elektron yang akan

membentuk banjiran muatan ruang yang lama-kelamaan menjembatani terjadinya kanal

peluahan antara anoda-katode pada sela elektroda, sehingga terjadi tembus total.

3.2.2 Kurva Paschen

Gambar 3.2 Kurva Paschen untuk gas (Ud fungsi ps)

Pada Gambar 3.2 diperlihatkan kurva Paschen untuk udara dengan konstanta A =

1,125370188 mm-1 mbar-1, konstanta B = 27,3840079 V mm-1 mbar-1, dan = 0,02. Kurva

Paschen dibagi menjadi 3 daerah tembus yaitu daerah I yang merupakan karakteristik

tembus gas pada keadaan vakum. Pada kondisi awal diberikan tegangan tembus yang

cukup tinggi untuk memicu terbentuknya elektron bebas sebagai pemicu terjadinya

tegangan tembus pada gas.

Berikutnya daerah II merupakan daerah terjadinya tembus Townsend pada tekanan

rendah dan jarak sela yang kecil (ps ≤ 10 barmm) dengan medan homogen. Untuk daerah

III merupakan daerah terjadinya tembus Streamer pada tekanan tinggi dan jarak sela yang

lebih besar dari daerah II. Pada kondisi ini (daerah III) molekul-molekul udara semakin

Percobaan 3

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

ps (barmm)

Ud (kV)

(ps min, Ud min)

Daerah IIDaerah I

Daerah III

III –3

padat dan menekan ke segala arah sehingga elektron bebas untuk dapat bergerak

membutuhkan energi yang lebih tinggi. Hal ini menyebabkan nilai tegangan tembus Ud

semakin besar.



(a)

(b)

Gambar 3.3 Rangkaian percobaan untuk tembus pada gas

(b) Tegangan tinggi bolak-balik

(c) Tegangan tinggi searah

Percobaan 3

DGM

RL

D 1 D 2

CM

~

TU

SBRM

DGM

RM

D1 D2

CM SB

~

TU

III –4


TU : ............................................................................................................ ............................................................................................................

RL : ............................................................................................................ ............................................................................................................

SB : ............................................................................................................ ............................................................................................................

D1, D2 : ............................................................................................................ ............................................................................................................

CM : ............................................................................................................ ............................................................................................................

RM : ............................................................................................................ ............................................................................................................

DGM : ............................................................................................................ ............................................................................................................

PV : ............................................................................................................ ............................................................................................................ PK : ............................................................................................................ ............................................................................................................






b. Urutan percobaan dimulai dari tembus gas pada tegangan tinggi bolak-balik,

kemudian dilanjutkan untuk tembus gas pada tegangan tinggi searah.

c. Catat nilai temperatur dan tekanan udara di dalam ruangan laboratorium pada saat

dilakukan percobaan.

d. Pada percobaan, besar diameter elektroda bola yang dipakai ialah d = 5 cm dan

jarak sela s dibuat sama sebesar 5 mm untuk setiap perubahan pb.

e. Kurangi tekanan udara dalam tabung objek uji dengan mengatur besar pb (bernilai

negatif) menggunakan pompa vakum.

f. Nyalakan control desk untuk memulai percobaan sesuai dengan prosedur


g. Naikkan tegangan primer TU hingga terjadi tembus listrik pada SB. Catat besar


h. Lakukan langkah g sebanyak tiga kali untuk setiap pb negatif (jangan lupa untuk

mematikan control desk pada saat akan mengurangi tekanan pb), kemudian semua

data hasil percobaan ditulis pada Tabel 3.1 untuk percobaan tembus gas bolak-

balik dan Tabel 3.2 untuk percobaan tembus gas searah.

i. Matikan control desk sesuai prosedur penggunaan control desk.

j. Tambahkan tekanan udara dalam tabung objek uji dengan mengatur besar pb

(bernilai positif) menggunakan pompa kompresor dengan terlebih dahulu

menyamakan tekanan udara dalam tabung objek uji dengan tekanan pa.

k. Nyalakan control desk untuk memulai percobaan sesuai dengan prosedur


l. Naikkan tegangan primer TU hingga terjadi tembus listrik pada SB. Catat besar

tegangan tembus Udc yang terbaca pada alat ukur DGM.

m. Lakukan langkah l sebanyak tiga kali untuk setiap pb positif (jangan lupa untuk

mematikan control desk pada saat akan menambah tekanan pb), kemudian semua

data hasil percobaan ditulis pada Tabel 3.1 untuk percobaan tembus gas bolak-

balik dan Tabel 3.2 untuk percobaan tembus gas searah.

n. Selesai percobaan, matikan control desk sesuai prosedur penggunaan control desk





a. Hitung nilai tegangan tembus rata-rata Udc (≈ Ud). Catat semua nilai-nilai

tersebut pada Tabel 3.1 dan Tabel 3.2.

b. Untuk mendapatkan besarnya nilai tekanan gas (udara) dalam tabung objek uji (p)

dapat dihitung berdasarkan persamaan 3.1. Catat nilai tersebut pada Tabel 3.3 dan

Tabel 3.4.

c. Setelah didapatkan besarnya nilai tekanan gas p, tentukan besarnya nilai tekanan

gas dan jarak sela (ps) berdasarkan persamaan 3.2. Catat semua nilai-nilai

tersebut pada Tabel 3.3 dan Tabel 3.4.

d. Gambar kurva Paschen untuk gas yaitu kurva Ud fungsi p (Grafik 3.1) dan kurva

Ud fungsi ps (Grafik 3.2).



Jarak sela =

Tekanan (pa) =

Temperatur =

Tabel 3.1 Data hasil percobaan tembus pada gas dengan tegangan tinggi bolak-balik

No. pb (mbar) Udc (kV) Udc (kV)Data ke-1 Data ke-2 Data ke-3

1. - 800

2. - 600

3. - 400

4. - 200

5. 0

6. 2000

7. 3000

Tabel 3.2 Data hasil percobaan tembus pada gas dengan tegangan tinggi searah

No. pb (mbar) Udc (kV)Ûdc (kV)

Data ke-1 Data ke-2 Data ke-3

1. - 800

2. - 600

3. - 400

4. - 200

5. 0

6. 2000

7. 3000


3.6 ANALISIS DATA


Perhitungan tekanan gas dalam tabung objek uji pada tegangan tinggi bolak-balik

No. pa (mbar) pb (mbar) p (mbar)

Perhitungan tekanan gas dan jarak sela pada tegangan tinggi bolak-balik

No. p (mbar) s (mm) ps (barmm)

Tabel 3.3 Data hasil perhitungan hubungan tekanan gas p dan ps dengan tegangan tembus

pada tegangan tinggi bolak-balik

No. p (mbar) ps (barmm) Ud (kV)

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Perhitungan tekanan gas dalam tabung objek uji pada tegangan tinggi searah


No. pa (mbar) pb (mbar) p (mbar)

Perhitungan tekanan gas dan jarak sela pada tegangan tinggi searah

No. p (mbar) s (mm) ps (barmm)

Tabel 3.4 Data hasil perhitungan hubungan tekanan udara p dan ps dengan tegangan

tembus pada tegangan tinggi searah

No. p (mbar) ps (barmm) Ud (kV)

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.


Grafik 3.1 Ud fungsi p


Grafik 3.2 Ud fungsi ps



3.7 KESIMPULAN

3.8 TUGAS

1. Jelaskan mengenai proses ionisasi!

2. Jelaskan tentang proses pelepasan bertahan sendiri dengan pelepasan tidak

bertahan sendiri pada kurva pertumbuhan arus Townsend!

3. Jelaskan secara singkat disertai gambar, mekanisme tembus pada gas dan Kurva

Paschen!





Semester: .......................

Percobaan IV : DISTRIBUSI TEGANGAN TINGGI BOLAK-BALIK

PADA ISOLATOR RANTAI


Nama Praktikan : ...................................................



Mengetahui,

Koordinator Asisten

...............................

NIM.

PERCOBAAN 4

DISTRIBUSI TEGANGAN TINGGI BOLAK-BALIK

PADA ISOLATOR RANTAI

4.1 TUJUAN


1. Mampu mengukur dan menentukan besar distribusi tegangan tinggi bolak-balik

pada isolator rantai.

4.2 DASAR TEORI

Pada saluran transmisi SUTT, kawat penghantar yang bertegangan tinggi

digantungkan pada isolator rantai. Untuk isolator rantai yang panjang, distribusi tegangan

tinggi bolak-balik pada tiap-tiap isolator penyusunnya tidak merata. Hal ini disebabkan

oleh adanya pengaruh dari:

1. Kapasitansi antara penghubung tiap-tiap isolator (C).

2. Kapasitansi antara penghubung isolator dengan tanah atau menara penghantar

(Ce).

3. Kapasitansi antara penghubung isolator dengan kawat penghantar bertegangan

tinggi (Ch).

Isolator rantai yang dibebani dengan tegangan tinggi bolak-balik dapat dinyatakan

dengan rangkaian pengganti seperti pada Gambar 4.1. Pada gambar tersebut, jumlah

isolator yang digunakan ialah 5 buah isolator piring (suspension insulator), sehingga akan

diperoleh 5 buah kapasitansi C, dan 4 buah kapasitansi masing-masing Ce dan Ch .

Percobaan 4 IV – 1

Gambar 4.1 Rangkaian pengganti isolator rantai dengan 5 buah isolator penyusun

Dengan analisis rangkaian listrik dapat diperoleh distribusi tegangan pada isolator

rantai:

Ui(n) = (4.1)

Besar Ui(n) dapat pula dicari secara praktek atau berdasarkan hasil percobaan, melalui

persamaan pendekatan yaitu:

Ui(n) =

UUn ¿ 100% (4.2)

dengan syarat batas, yaitu pada:

n = 0, (X = 0), Ui(n) = 0 atau Un = ~

n = 5, (X = L), Ui(n) = 1 atau Un = U

Percobaan 4

C

C

C

C

C

Ce

Ce

Ce

Ce

Ch

Ch

Ch

Ch

Kawat penghantar bertegangan tinggi

Tanah atau menara penghantar

X

L

n = 0

n = 5

n = 4

n = 3

n = 2

n = 1

K

aKC

K

KaC

CC hehe sinh

)1(sinh1

sinh

sinh1

IV – 2

a =

XL (4.3)

K = √Ce+Ch

C (4.4)

Besar distribusi tegangan tinggi bolak-balik pada tiap-tiap isolator piring ialah:

ΔUn = Ui(n) – Ui(n-1) (4.5)

keterangan:

Un = tegangan pada jepitan ke-n isolator rantai (kV)Ui(n) = tegangan pada jepitan ke-n isolator rantai (%)U = tegangan pembebanan pada isolator rantai atau tegangan antara kawat penghantar tegangan tinggi dengan tanah (kV)ΔUn = distribusi tegangan tinggi bolak-balik pada isolator ke-n (%)

Kurva Ui(n) fungsi a pada isolator rantai untuk nilai kapasitansi Ce dan Ch yang

berbeda-beda ditunjukkan pada gambar 4.2.

Gambar 4.2 Kurva Uin fungsi a pada isolator rantai

Percobaan 4

1

1

Ui(n)

a

Ce > Ch

Ce = Ch

Ce = Ch = 0Ce < Ch

0

IV – 3



Gambar 4.3 Rangkaian percobaan menggunakan isolator rantai dengan

5 buah isolator penyusun


TU : ............................................................................................................ ............................................................................................................

RL : ............................................................................................................ ............................................................................................................

SB : ............................................................................................................ ............................................................................................................

D1, D2 : ............................................................................................................ ............................................................................................................

CM : ............................................................................................................ ............................................................................................................

RM : ............................................................................................................ ............................................................................................................

INS : ............................................................................................................ ............................................................................................................

DGM : ............................................................................................................ ............................................................................................................






b. Pada percobaan, posisi ujung-ujung sela bola dihubungkan pada n = 5 dan n = 0

(ke sistem pembumian atau tanah) untuk setiap perubahan posisi jepitan A. Jarak

sela bola s dibuat tetap sebesar 5 mm.

c. Untuk kondisi pertama, hubungkan jepitan A pada posisi n = 5. Untuk setiap

perubahan posisi jepitan A, posisi jepitan B (ke sistem pembumian) tetap

terhubung pada posisi n = 0 dari isolator rantai.



e. Naikkan tegangan primer TU hingga terjadi tembus listrik pada SB. Catat besar


f.Lakukan langkah e sebanyak tiga kali untuk setiap perubahan posisi jepitan A (n =

5, n = 4, n = 3, n = 2, dan n = 1), kemudian semua data hasil percobaan ditulis

pada Tabel 4.1 (jangan lupa untuk mematikan control desk pada saat akan

memindahkan posisi jepitan A).






a. Hitung nilai tegangan tembus rata-rata Ud (≈ Un). Catat semua nilai-nilai tersebut

pada Tabel 4.1.

b. Hitung besar Ui(n) untuk setiap posisi jepitan A dengan menggunakan persamaan

4.2. Nilai U ialah tegangan tembus sela bola Ud saat jepitan A terhubung pada

posisi n = 5. Kemudian hitung pula besar ΔUn tiap isolator piring menggunakan

persamaan 4.5. Catat nilai-nilai ΔUn dan Ui(n) tersebut pada Tabel 4.2.

c. Gambar kurva Ui(n) fungsi n (Grafik 4.1).



Tabel 4.1 Hasil percobaan distribusi tegangan tinggi bolak-balik pada isolator rantai

dengan 5 buah isolator penyusun

No.

Jepitan A pada n ke-

Ud (kV) Ud (kV)Data ke-1 Data ke-2 Data ke-3

1. 5

2. 4

3. 3

4. 2

5. 1

4.6 ANALISIS DATA


Perhitungan Ui(n) tiap posisi jepitan A

No.Jepitan A pada n ke-

Ui(n) (%)

Berdasarkan perhitungan Ui(n) di atas, maka dapat dicari besar distribusi tegangan

ΔUn yaitu:


ΔU5 =

ΔU4 =

ΔU3 =

ΔU2 =

ΔU1 =

Tabel 4.2 Data hasil perhitungan ΔUn pada isolator ke-n dan Uin tiap posisi jepitan A

No. isolator ke- ΔUn (%)Jepitan A pada

n ke-Ui(n) (%)

1.

2.

3.

4.

5.



Grafik 4.1 Ui(n) fungsi n (jepitan A ke-n)



4.7 KESIMPULAN

4.8 TUGAS

1. Mengapa distribusi tegangan pada isolator rantai perlu diketahui?pada isolator

piring ke berapakah yang mendapat distribusi tegangan terbesar?jelaskan!

2. Dari percobaan, apabila diameter D ataupun jarak sela s bola diubah-ubah yang

berarti tegangan pembebanan isolator rantai dibuat variabel, apakah besar Ui(n) dan

distribusi tegangan tinggi bolak-balik pada tiap-tiap isolator piring ΔUn akan ikut

berubah?jelaskan jawaban anda!

3. Sebutkan dan jelaskan jenis-jenis karakteristik tegangan yang terjadi pada isolator

rantai selama dibebani tegangan tinggi bolak-balik!

4. Bagaimana sebaiknya harga Ce dan Ch untuk suatu isolator rantai?mengapa

demikian!

5. Usulkan cara-cara untuk mengatasi ketidakrataan distribusi tegangan pada isolator

rantai!





Semester: .......................

Percobaan V : PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI SEARAH

DAN EFEK POLARITAS


Nama Praktikan : ...................................................



Mengetahui,

Koordinator Asisten

...............................

NIM.

PERCOBAAN 5

PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI SEARAH DAN EFEK POLARITAS

5.1 TUJUAN


1. Mampu memahami dan menguasai cara pembangkitan tegangan tinggi searah.

2. Dapat mengetahui pengaruh dari efek polaritas pada susunan elektroda jarum-

piring.

5.2 DASAR TEORI

Untuk membangkitkan tegangan tinggi searah dalam laboratorium umumnya

menggunakan komponen penyearah yang terdiri atas sejumlah dioda semikonduktor yang

terpasang seri. Prinsip dasar pembangkitan tegangan tinggi searah yaitu membangkitkan

tegangan tinggi bolak-balik yang keluarannya dihubungkan dengan rangkaian penyearah

setengah gelombang (menggunakan dioda tegangan tinggi).

5.2.1 Pembangkitan Tegangan Tinggi Searah

Pembangkitan tegangan tinggi searah yang paling sederhana diperlihatkan pada

Gambar 5.1.a. Sebuah transformator uji tegangan tinggi dihubungkan dengan beban R

melalui sebuah dioda penyearah ideal V. Tegangan sekunder trafo yang berbentuk

sinusoida dengan nilai puncak Û akan disearahkan terlebih dahulu oleh dioda tegangan

tinggi yang memiliki resistansi maju dan arus reverse sama dengan nol (karakteristik

ideal).

Bentuk keluaran gelombang tegangan yang telah disearahkan dapat dilihat pada

Gambar 5.1.b dan 5.1.c. Terlihat pada Gambar 5.1.c, dengan memasang paralel kapasitor C

dengan beban akan didapatkan gelombang tegangan yang rata dalam keadaan mantap

dibanding tanpa kapasitor. Jadi fungsi kapasitor C ialah sebagai filter atau perata bentuk

gelombang tegangan keluaran dari dioda. Untuk Gambar 5.1.c, tegangan searah pada

beban u(t) akan mengandung tegangan cacat atau ripel tegangan, sehingga berlaku

persamaan:

Ū ≈ Û - δ U (5.1)

Semakin rata gelombang tegangan beban, maka besar ripel tegangan akan semakin

kecil dan periode konduksi dioda tv akan menjadi lebih singkat. Besar tegangan balik yang

harus ditahan oleh dioda ialah:

Percobaan 5 V – 1

ÛV ≈ 2ÛT

Dengan melihat kembali Gambar 5.1.c, maka besar ripel tegangan dapat dicari yaitu:

untuk tv << T =

1f dan δ U<<Ū, perubahan muatan pada kapasitor perata selama periode

padam:

2δ UC ≈ ∫0

T

igdt= T Īg

δ U = Īg

12 fC

(5.2)

(a)

(b) (c)

Gambar 5.1 Rangkaian pembangkitan tegangan tinggi searah dengan metode

penyearah setengah gelombang

(a) Rangkaian pengganti

(b) Bentuk gelombang tegangan beban tanpa kapasitor perata C

(c) Bentuk gelombang tegangan beban dengan kapasitor perata C

Percobaan 5

ig

u(t) = ig RC

uv

V

uT

~

Û

Û

Ū

u(t)

T

tv

uT

Umin

T

tv

Ûv

Û Ū

2 U

uT

u(t)

V – 2

5.2.2 Pengukuran Tegangan Tinggi Searah

Untuk melakukan pengukuran tegangan tinggi searah, salah satu metode yang

digunakan ialah dengan bantuan tahanan atau resistor tegangan tinggi yang mempunyai

harga tahanan sangat besar seperti yang terlihat pada Gambar 5.2.

Gambar 5.2 Pengukuran tegangan tinggi searah dengan suatu resistor seri atau

pembagi resistif

Tahanan R2 ialah resistor yang berfungsi sebagai pembagi tegangan resistif yang

diseri dengan R1 dan diparalel dengan alat ukur tegangan tinggi searah DGM. Besar

tegangan yang diukur DGM ialah nilai rata-rata tegangan searah Ū. Cara lain untuk

pengukuran tegangan tinggi searah adalah dengan menggunakan meter-volt elektrostatik

dan sela bola.

5.2.3 Korona Listrik

Korona merupakan suatu gejala tembus parsial atau sebagian yang diakibatkan oleh

adanya kuat medan listrik yang sangat tinggi di dalam daerah sela elektroda. Pada kondisi

distribusi medan listrik yang tidak seragam seperti pada susunan elektroda jarum-piring,

batang-piring, maka akan terjadi pelepasan muatan listrik dari permukaan ujung elektroda

yang memiliki radius kecil akibat medan listrik yang sangat besar di daerah sekitar ujung

elektroda tersebut.

Dengan adanya kuat medan listrik lokal yang tinggi tersebut, maka proses ionisasi di

udara akan terjadi akibat tumbukan elektron-elektron bebas yang dipercepat oleh medan

listrik tersebut dan otomatis menambah jumlah muatan ruang di dalam sela elektroda.

Percobaan 5 V – 3

Gambar 5.3 Efek polaritas pada susunan elektroda jarum-piring

(a) Jarum negatif, (b) Jarum positif

Proses ini dinamakan avalance, yang terjadi berulang kali sehingga timbul elektron-

elektron dan ion positif dalam jumlah besar disekitar daerah ujung elektroda tersebut yang

akhirnya menyebabkan terjadinya tembus parsial atau korona.

Penampilan visual korona dapat diamati berupa penampakan sinar korona yang

tergantung pada polaritas elektroda koronanya dan timbulnya suara desisan. Korona positif

biasanya menampakkan cahaya yang seragam pada permukaan elektrodanya, sedangkan

korona negatif tampak seperti noda-noda terang pada tempat tertentu. Korona dipengaruhi

oleh beberapa kondisi yaitu tekanan udara, bahan elektroda, adanya uap air di udara,

fotoionisasi dan tipe tegangan tinggi yang diterapkan.

5.2.4 Efek Polaritas

Pada medan listrik sangat tidak homogen seperti pada susunan elektroda jarum-

piring, di depan elektroda tajam terjadi ionisasi tumbukan di udara setelah tegangan

anjaknya (inception voltage) terlewati. Elektron-elektron karena mobilitasnya yang tinggi

akan secara cepat meninggalkan daerah ionisasi, sedang ion-ion positif yang bergerak

lamban akan membentuk muatan ruang positif di depan elektroda tajam, sehingga

distribusi medan listriknya berubah. Dengan demikian maka tergantung pada jarak sela,

tegangan tembus listrik pada elektroda jarum positif akan lebih rendah dibanding dengan

jarum negatif.

Percobaan 5

s0 x

- U kV

-E

Ēmedan utama

Distribusi medan listrik sebelum adanya muatan ruangDistribusi medan listrik setelah adanya muatan ruang

Ē1 Ē2 Ē3

E1, E2, E3 Kuat medan listrik yang dibangkitkan oleh muatan ruang

(a) (b)

+ U kV

s0 x

+E

Ēmedan utama

Ē1

Ē2

V – 4

Pada jarum negatif, elektron-elektron bergerak menuju elektroda piring atau pelat.

Ion-ion positif yang tertinggal akan menyebabkan penaikan kuat medan listrik sangat

tinggi tepat pada ujung jarum, sedangkan pada daerah ruang medan listrik lainnya hanya

memiliki kuat medan listrik yang lebih kecil. Dengan demikian pengembangan kanal

peluahan muatan listrik ke arah elektroda pelat akan semakin lama.

Pada jarum positif, elektron-elektron bergerak menuju elektroda jarum. Ion-ion

positif yang tertinggal akan memperkecil besar kuat medan listrik di ujung jarum. Dengan

demikian maka kuat medan listrik ke arah elektroda pelat akan meninggi sehingga

memudahkan dan mempercepat pengembangan kanal peluahan muatan listrik. Untuk

selengkapnya, efek polaritas dapat dilihat pada Gambar 5.3.



(a)

(b)

Gambar 5.4 Rangkaian percobaan untuk efek polaritas

(a) Polaritas positif

(b) Polaritas negatif

Percobaan 5

DGM

~RM

D1 D2

CM

TU

elektroda jarum

elektroda piring

DGM

~RM

D1 D2

CM

TU

elektroda jarum

elektroda piring

V – 5


TU : ............................................................................................................ ............................................................................................................

SE : ............................................................................................................ ............................................................................................................

D1, D2 : ............................................................................................................ ............................................................................................................

CM : ............................................................................................................ ............................................................................................................

RM : ............................................................................................................ ............................................................................................................

DGM : ............................................................................................................ ............................................................................................................


Percobaan 5 V – 6




b. Urutan percobaan dimulai dari polaritas positif, kemudian dilanjutkan untuk

polaritas negatif.

c.Pada percobaan, besar jarak sela s ditentukan sebesar 10, 15, dan 20 mm.



e.Naikkan tegangan primer TU hingga terjadi korona listrik pada ujung elektroda

jarum. Catat besar tegangan korona Uc yang terbaca pada alat ukur DGM.

f. Naikkan kembali tegangan primer TU hingga terjadi tembus listrik pada sela

elektroda. Catat besar tegangan tembus Ud yang terbaca pada alat ukur DGM.

g. Lakukan langkah e dan f sebanyak tiga kali untuk setiap perubahan jarak sela,

kemudian semua data hasil percobaan ditulis pada Tabel 5.1 untuk percobaan

polaritas positif dan Tabel 5.2 untuk percobaan polaritas negatif.

h. Selesai percobaan, matikan control desk sesuai prosedur penggunaan control desk




a. Hitung nilai rata-rata U c dan

Ud pada tiap polaritas. Catat nilai-nilai tersebut

pada Tabel 5.1 dan Tabel 5.2.

b. Dari nilai rata-rata tersebut, buat grafik tegangan korona dan tembus sebagai

fungsi jarak sela (Grafik 1.1) untuk setiap polaritas.

Percobaan 5 V – 7


Tabel 5.1 Hasil percobaan pada polaritas positif

No.

s (mm) Uc (kV) U c (kV) Ud (kV) Ud (kV)

1. 10

2. 15

3. 20

Tabel 5.2 Hasil percobaan pada polaritas negatif

No.

s (mm) Uc (kV) U c (kV) Ud (kV) Ud (kV)

1. 10

2. 15

3. 20

5.6 ANALISIS DATA

Percobaan 5 V – 8


Grafik 1.1 Ud (nilai Ud ) dan Uc (nilai

U c ) fungsi s


5.7 KESIMPULAN

Percobaan 5

25

20

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

-25

-30

-35

5 10 15 20 25

U (kV)

s (mm)

V – 9

5.8 TUGAS

1. Sebutkan dan jelaskan rangkaian pengganda tegangan tinggi searah beserta gambar

tegangan outputnya!

2. Jelaskan secara singkat terjadinya korona positif (korona anoda) dan korona

negatif (korona katoda) pada susunan elektroda jarum-piring!sertakan juga

gambarnya!

Percobaan 5 V – 10




Semester: .......................

Percobaan VI : PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI IMPULS


Nama Praktikan : ...................................................



Mengetahui,

Koordinator Asisten

...............................

NIM.

PERCOBAAN 6

PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI IMPULS

6.1 TUJUAN PERCOBAAN


1. Mampu memahami dan menguasai cara pembangkitan tegangan tinggi impuls dan

pengukurannya.

2. Dapat mengetahui dan menentukan besar karakteristik waktu muka dan waktu

paruh punggung tegangan tinggi impuls petir 1,2/50 μs.

6.2 DASAR TEORI

Dalam keadaan kerja, peralatan-peralatan elektrik selain mampu dibebani tegangan

kerjanya, juga harus memiliki ketahanan terhadap pembebanan tegangan tinggi impuls

akibat sambaran petir maupun akibat proses pengoperasian saklar daya. Penguasaan cara

pembangkitan tegangan tinggi impuls diperlukan agar dapat dihasilkan bentuk gelombang

tegangan yang mendekati kejadian pembebanan transien yang terjadi di jaringan dan agar

dapat dilakukan penelitian dasar tentang tembus elektrik.

6.2.1 Definisi Tegangan Tinggi Impuls

Di dalam teknik tegangan tinggi, pengertian tegangan tinggi impuls adalah tegangan

impuls dengan suatu polaritas tertentu dan bentuk serta lamanya ditentukan oleh cara

pembangkitannya. Tegangan impuls diperlukan dalam pengujian tegangan tinggi untuk

mensimulasi terpaan akibat tegangan lebih dalam dan luar serta untuk meneliti mekanisme

tembus.

Umumnya tegangan tinggi impuls dibangkitkan dengan meluahkan muatan kapasitor

tegangan tinggi (melalui sela percik bola) pada suatu rangkaian resistor dan kapasitor.

Nilai puncak dari tegangan tinggi impuls dapat ditentukan dengan bantuan sela ukur atau

dengan rangkaian elektronik yang dikombinasikan dengan pembagi tegangan. Alat ukur

tegangan impuls yang terpenting adalah osiloskop sinar katoda yang memungkinkan

penentuan nilai-nilai sesaat melalui pembagi tegangan.

6.2.2 Bentuk Tegangan Tinggi Impuls

Bentuk umum tegangan tinggi impuls yang dipakai pada laboratorium adalah

tegangan yang naik dengan waktu yang sangat singkat sekali disusul dengan penurunan

tegangan yang sangat lambat menuju ke nol, yaitu dapat dinyatakan dengan persamaan:

Percobaan 6 VI – 1

V=V 0(e−at−e−bt ) (6.1)

Bentuk tegangan semacam ini mudah dibuat, yaitu dengan menetapkan konstanta a dan b,

sedangkan nilai maksimumnya disebut sebagai nilai puncak tegangan impuls.

Contoh-contoh berbagai bentuk tegangan impuls ialah seperti gambar di bawah ini:

(a) (b) (c)

Gambar 6.1 Bentuk gelombang tegangan tinggi impuls

(a) Tegangan impuls persegi

(b) Tegangan impuls terpotong (taji)

(c) Tegangan impuls eksponensial ganda

Tegangan impuls persegi mengalami waktu muka yang sangat singkat dan menjadi

konstan setelah mencapai puncak sesaat sebelum terjadi tembus. Sedangkan tegangan

impuls terpotong adalah tegangan impuls yang tiba-tiba menjadi nol pada saat mencapai

puncak atau sewaktu di dahi atau di punggung. Tegangan impuls eksponensial ganda

digunakan untuk peniruan tegangan surja petir dan tegangan surja hubung. Perbedaannya

ditentukan pada lama waktu dahi dan waktu punggung.

6.2.3 Parameter Tegangan Tinggi Impuls Petir

Untuk keperluan pengujian di laboratorium, maka tegangan tinggi impuls yang

dipilih ialah tegangan impuls eksponensial ganda jenis impuls petir dengan karakteristik

1,2/50 μs yang berarti besar waktu dahi Ts = 1,2 μs dan waktu paruh punggung Tr = 50 μs

seperti ditunjukkan pada Gambar 6.2. Muka gelombang impuls petir didefinisikan sebagai

bagian dari gelombang yang dimulai dari titik nol hingga mencapai titik puncak,

sedangkan sisanya adalah ekor gelombang. Setengah puncak gelombang adalah titik-titik

pada muka dan ekor yaitu besar tegangannya adalah setengah dari nilai puncak (0,5Û).

Parameter-parameter tegangan tinggi impuls petir untuk standar pengujian dapat

dilihat pada Gambar 6.2 berikut ini.


Gambar 6.2 Parameter tegangan tinggi impuls petir standar untuk

pengujian di laboratorium

Waktu muka (Ts) ialah waktu yang terjadi pada muka gelombang dimulai dari titik

perpotongan sumbu waktu t dengan garis lurus yang dibentuk dari titik 0,3Û (A), 0,9Û (B)

dan S hingga mencapai titik potong sumbu waktu t dengan garis vertikal dari titik S.

Sedangkan waktu paruh punggung (Tr) adalah waktu yang dibutuhkan mulai dari titik nol

hingga mencapai setengah dari nilai puncak tegangan 0,5Û (titik C) pada ekor gelombang.

6.2.4 Pembangkitan Tegangan Tinggi Impuls

Rangkaian dasar pembangkitan tegangan impuls petir dan impuls hubung untuk

pengujian adalah sama, hanya berbeda besar elemen-elemen rangkaiannya. Rangkaian

dasar yang biasa digunakan ialah rangkaian kapasitif yaitu rangkaian a dan rangkaian b

seperti yang diperlihatkan pada Gambar 6.3.

(a) (b)

Gambar 6.3 Diagram rangkaian dasar pembangkit tegangan tinggi impuls

(a) Rangkaian a, (b) Rangkaian b


Prinsip kerja rangkaian di atas yaitu kapasitor pemuatan Cs dimuati dengan tegangan

tinggi searah U0. Dengan penyalaan sela percik bola F, terjadi peluahan muatan untuk

mengisi kapasitor beban Cb dan tahanan peluahan Re. Tegangan tinggi impuls u(t)

diperoleh pada terminal kapasitor beban Cb. Jika diinginkan waktu dahi Ts yang singkat,

maka peluahan muatan yang mengisi kapasitor beban Cb harus secepat mungkin untuk

mencapai tegangan puncak Û, sedangkan waktu punggung Tr yang lama ditentukan oleh

tahanan peluahan Re yang jauh lebih besar dibandingkan tahanan peredam Rd.

6.2.5 Pengukuran Tegangan Tinggi Impuls

Pengukuran tegangan tinggi impuls dapat dilakukan dengan dengan sela percik bola,

karena kejadian tembus elektrik sela udara terjadi beberapa mikrodetik setelah dicapai

tegangan tembus statis. Dengan demikian sela percik bola dapat digunakan untuk

pengukuran tegangan puncak impuls yang tidak terlalu cepat dan untuk konstanta waktu

muka T2 ≥ 50 μs.

Hal ini berlaku, dengan anggapan bahwa di dalam ruang antara sela bola tersedia

pembawa muatan yang cukup, yaitu tembus elektrik akan langsung terjadi jika telah

dicapai tinggi kuat medan tertentu. Alat ukur voltmeter tipe DSTM digunakan untuk

menampilkan nilai puncak tegangan impuls pada pengukuran.

6.2.6 Penentuan Ts dan Tr untuk Tegangan Impuls Petir secara teori

Pada percobaan ini, rangkaian dasar yang digunakan ialah rangkaian b. Lama waktu

muka dan waktu paruh punggung ditentukan oleh besar kecilnya resistor peluahan Re dan

resistor redaman Rd. Dengan pendekatan ReCs >> RdCb, dihasilkan persamaan untuk

rangkaian b yaitu:

T1¿ Re(C s+Cb ) (6.2)

T2

¿ Rd

C s Cb

C s+Cb (6.3)

Ts = k2T2 (6.4)

Tr = k1T1 (6.5)

dengan k1 = 0,73 dan k2 = 2,96

η≈CS

CS+Cb (6.6)

Dari persamaan-persamaan diatas, waktu muka Ts berbanding lurus dengan Rd. Jadi

semakin kecil Rd, maka waktu muka akan semakin singkat dan begitu pula sebaliknya.


Sedangkan waktu paruh punggung Tr berbanding lurus dengan Re. Semakin besar Re,

waktu paruh punggung akan semakin lama dan begitu pula sebaliknya.

Besar medan pada rangkaian b berdasarkan hasil percobaan ialah didekati dengan

rumus pendekatan sebagai berikut:

η≈UDSTM

U DGM (6.7)

keterangan:

UDSTM = Nilai puncak tegangan impuls yang terbaca pada alat ukur DSTM (kV)

UDGM = Nilai tegangan searah pada alat ukur DGM (kV)



Gambar 6.4 Rangkaian percobaan pembangkitan dan pengukuran

tegangan tinggi impuls (rangkaian b)


TU : ............................................................................................................ ............................................................................................................

RL : ............................................................................................................ ............................................................................................................

D1, D2 : ............................................................................................................ ............................................................................................................

EZK : ............................................................................................................ ............................................................................................................

CS : ............................................................................................................ ............................................................................................................

Cb : ............................................................................................................ ............................................................................................................

RM : ............................................................................................................ ............................................................................................................

Rd : ............................................................................................................ ............................................................................................................

Re : ............................................................................................................


............................................................................................................ ZAG : ............................................................................................................

............................................................................................................ OSC : ............................................................................................................

............................................................................................................ DGM : ............................................................................................................

............................................................................................................ DSTM : ............................................................................................................

............................................................................................................





b. Nyalakan control desk untuk memulai percobaan sesuai dengan prosedur

penggunaan control desk. ON-kan pula OSC dan setting besar time/div dan

volt/div-nya.

c. Atur jarak sela s pada EZK sebesar 10 mm dengan memutar tombol MF pada

control desk.


d. Naikkan tegangan primer TU hingga mencapai nilai tegangan UDGM yang diberikan

asisten. Catat besar UDGM yang terbaca oleh DGM pada Tabel 6.1.

e. Aktifkan EZK dengan men-trigger-nya menggunakan ZAG, lalu catat besar

tegangan UDSTM yang terukur oleh DSTM pada Tabel 6.1.

f. Siapkan sebuah kertas milimeter pada plotter, kemudian aktifkan plotter untuk

menggambar gelombang tegangan impuls yang terlihat pada OSC.





a. Hitung nilai waktu muka (Ts) dan waktu paruh punggung (Tr) secara teori berturut-

turut menggunakan persamaan 6.4 dan 6.5 dengan terlebih dahulu menghitung

besar T1 (persamaan 6.2) dan T2 (persamaan 6.3).

b. Hitung pula nilai efisiensi medan η secara teori menggunakan persamaan 6.6.

c. Hitung nilai waktu muka (Ts) dan waktu paruh punggung (Tr) secara praktek

berdasarkan gambar 6.2 menggunakan hasil gambar gelombang tegangan impuls

dari plotter.

d. Hitung pula nilai efisiensi medan η secara praktek menggunakan persamaan 6.7.

e. Catat semua nilai-nilai Ts, Tr, dan η tersebut pada Tabel 6.2.



Tabel 6.1 Hasil percobaan tegangan tinggi impuls petir

s (mm) UDGM (kV) UDSTM (kV)

6.6 ANALISIS DATA


Perhitungan Ts, Tr, dan η secara teori

T1 =

T2 =

Ts =

Tr =

η =

Perhitungan Ts, Tr, dan η secara praktek

Ts =

Tr =

η =

Tabel 6.2 Perbandingan perhitungan Ts, Tr, dan η secara teori dan praktek

Ts (μs) Tr (μs) η (%)

TEORI

PRAKTEK


time/div =

volt/div =

time/div =

volt/div =


Grafik 6.1 Tegangan impuls petir fungsi waktu untuk penentuan Ts

Grafik 6.2 Tegangan impuls petir fungsi waktu untuk penentuan Tr

6.7 KESIMPULAN


6.8 TUGAS

1. Jelaskan secara singkat prinsip kerja pembangkitan gelombang tegangan impuls

petir! Bagaimana cara mengubah nilai Ts dan Tr pada rangkaian impuls b?

2. Jelaskan dengan disertai gambar, rangkaian pengali Marx 3 tingkat pada perluasan

rangkaian b!


modul 1 file

Documents