ANALISIS RANGKAIAN GENERATOR IMPULS UNTUK MEMBANGKITKAN TEGANGAN IMPULS PETIR MENURUT BERBAGAI STANDAR Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro Sub Konsentrasi Teknik Energi Listrik Oleh: WANGTO RATTA HALIM NIM : 090402028 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014
ABSTRAK Pada tegangan impuls yang disebabkan oleh sambaran petir, waktu yang diperlukan untuk mencapai puncak gelombang dan waktu penurunan tegangan sangat bervariasi sehingga perlu ditetapkan bentuk standar tegangan impuls petir untuk keperluan pengujian. Terdapat beberapa standar mengenai tegangan impuls petir diantaranya standar Jepang, Inggris, Amerika dan International Electrotechnical Commission (IEC). Masing- masing standar memiliki perbedaan dari segi waktu muka dan waktu ekor gelombang. Tugas Akhir ini menampilkan bentuk tegangan impuls petir sesuai standar Jepang, Inggris, Amerika dan IEC, serta cara menentukan besar resistansi, induktansi dan kapasitansi pada generator impuls untuk menghasilkan bentuk gelombang impuls petir sesuai masing-masing standar. Dari hasil analisis dapat dilihat bahwa nilai tegangan puncak, waktu muka dan waktu ekor gelombang dapat diatur dengan mengubah nilai resistansi, induktansi dan kapasitansi pada generator impuls. Kata Kunci : impuls petir, generator impuls. i
KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan rahmat dan karunia-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,. Adapun judul Tugas Akhir ini adalah: ANALISIS RANGKAIAN GENERATOR IMPULS UNTUK MEMBANGKITKAN TEGANGAN IMPULS PETIR MENURUT BERBAGAI STANDAR Tugas Akhir ini penulis persembahkan untuk kedua orang tua yang telah membesarkan penulis dengan kasih sayang yang tak ternilai harganya dan juga kepada kakak penulis yang selalu memberikan semangat dan mendoakan penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini. Selama penulis menjalani pendidikan di kampus hingga diselesaikannya Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan, dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak Ir. Syahrawardi selaku Dosen Pembimbing penulis yang telah banyak meluangkan waktu dan memberikan bimbingan dalam menyelesaikan tugas akhir ini. ii
2. Bapak Ir. Panusur S.M.L. Tobing selaku dosen wali penulis yang banyak memberikan masukan dan pengarahan selama perkuliahan. 3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si dan Bapak Rahmad Fauzi ST, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik. 4. Seluruh staf pengajar Departemen Teknik Elektro yang telah memberikan bekal ilmu kepada penulis dan seluruh pegawai Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,. 5. Keluarga Besar Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi FT USU : Wilvian, Angelina, Kentrick, Join, Raymond, Meta. 6. Sahabat-sahabat seperjuangan: Ahmad, Fakhrul, Doni, Agung, Dimas, Lukman, Yuli, Nanda, Tumbur, Rudy, Nisa, Fitri dan seluruh teman-teman stambuk 2009 yang tidak mungkin disebutkan satu per satu. 7. Semua abang dan kakak senior serta adik junior yang telah mau berbagi pengalaman dan motivasi kepada penulis. 8. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis sangat mengharapkan adanya kritik dan saran yang bertujuan untuk menyempurnakan dan memperkaya kajian Tugas Akhir ini. Akhir kata penulis berharap Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi para pembaca. Medan, Februari 2014 Penulis, Wangto Ratta Halim iii
DAFTAR ISI ABSTRAK... KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... i ii iv ix DAFTAR TABEL... xvii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Rumusan Masalah... 2 1.3 Tujuan Penulisan... 2 1.4 Manfaat Penulisan... 2 1.5 Batasan Masalah... 3 1.6 Metodologi Penelitian... 3 1.7 Sistematika Penulisan... 4 BAB II TEGANGAN TINGGI IMPULS 2.1 Tegangan Impuls... 6 2.2 Generator Impuls... 10 2.2.1 Generator Impuls RLC... 10 A. Nilai Maksimum dan Efisiensi Tegangan... 13 B. Menentukan Nilai R, L, dan C... 13 2.2.2 Generator Impuls RC... 20 iv
2.2.3 Generator Impuls Rangkaian Marx... 25 2.3 Pengaruh Induktansi pada Rangkaian Generator Impuls... 26 2.4 Pengaruh Beban pada Generator Impuls... 30 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Umum... 37 3.2 Waktu dan Tempat Penelitian... 37 3.3 Alat dan Bahan... 37 3.4 Metode Pengumpulan Data... 38 3.5 Langkah- Langkah Penelitian... 38 3.6 Analisis Data... 39 3.6.1 Generator Impuls RLC... 40 3.6.2 Generator Impuls RC... 41 3.6.3 Generator Impuls Marx... 42 BAB IV ANALISIS RANGKAIAN GENERATOR IMPULS UNTUK MEMBANGKITKAN TEGANGAN IMPULS PETIR MENURUT BERBAGAI STANDAR 4.1 Umum... 43 4.2 Parameter Generator Impuls... 43 4.2.1 Parameter Generator Impuls RLC... 43 A. Standar Jepang... 44 B. Standar Inggris... 45 C. Standar Amerika... 46 v
D. Standar IEC... 47 4.2.2 Parameter Generator Impuls RC... 48 A. Standar Jepang... 48 B. Standar Inggris... 49 C. Standar Amerika... 50 D. Standar IEC... 51 4.2.3 Parameter Generator Impuls Marx Tiga Tingkat... 52 A. Standar Jepang... 52 B. Standar Inggris... 53 C. Standar Amerika... 54 D. Standar IEC... 55 4.3 Analisis Bentuk Gelombang Impuls Petir... 56 4.3.1 Generator Impuls RLC... 56 A. Bentuk Gelombang Impuls Petir Berdasarkan Standar Jepang... 56 B. Bentuk Gelombang Impuls Petir Berdasarkan Standar Inggris... 59 C. Bentuk Gelombang Impuls Petir Berdasarkan Standar Amerika... 62 D. Bentuk Gelombang Impuls Petir Berdasarkan Standar IEC... 64 4.3.2 Generator Impuls RC... 67 A. Bentuk Gelombang Impuls Petir Berdasarkan Standar Jepang... 67 B. Bentuk Gelombang Impuls Petir Berdasarkan Standar Inggris... 69 C. Bentuk Gelombang Impuls Petir Berdasarkan Standar Amerika... 72 D. Bentuk Gelombang Impuls Petir Berdasarkan Standar IEC... 74 vi
4.3.3 Generator Impuls Marx Tiga Tingkat... 77 A. Bentuk Gelombang Impuls Petir Berdasarkan Standar Jepang... 77 B. Bentuk Gelombang Impuls Petir Berdasarkan Standar Inggris... 80 C. Bentuk Gelombang Impuls Petir Berdasarkan Standar Amerika... 83 D. Bentuk Gelombang Impuls Petir Berdasarkan Standar IEC... 86 4.4 Pengaruh Induktansi Sasar pada Rangkaian Generator Impuls... 89 4.4.1 Generator Impuls RLC... 89 4.4.2 Generator Impuls RC... 90 4.4.3 Generator Impuls Marx Tiga Tingkat... 93 4.5 Pengaruh Beban pada Generator Impuls... 95 4.5.1 Generator Impuls RLC dengan beban induktif... 95 4.5.2 Generator Impuls RLC dengan beban kapasitif... 98 4.5.3 Generator Impuls RC dengan beban induktif... 101 4.5.4 Generator Impuls RC dengan beban kapasitif... 103 4.5.5 Generator Impuls Marx Tiga Tingkat dengan beban induktif... 106 4.5.6 Generator Impuls Marx Tiga Tingkat dengan beban kapasitif... 109 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan... 111 5.2 Saran... 113 DAFTAR PUSTAKA... 114 LAMPIRAN 1 Perhitungan Parameter Generator Impuls RLC (Standar Jepang) vii
LAMPIRAN 2 Perhitungan Parameter Generator Impuls RLC (Standar Inggris) LAMPIRAN 3 Perhitungan Parameter Generator Impuls RLC (Standar Amerika) LAMPIRAN 4 Perhitungan Parameter Generator Impuls RLC (Standar IEC) LAMPIRAN 5 Perhitungan Parameter Generator Impuls RC (Standar Jepang) LAMPIRAN 6 Perhitungan Parameter Generator Impuls RC (Standar Inggris) LAMPIRAN 7 Perhitungan Parameter Generator Impuls RC (Standar Amerika) LAMPIRAN 8 Perhitungan Parameter Generator Impuls RC (Standar IEC) LAMPIRAN 9 Perhitungan Parameter Generator Impuls Marx (Standar Jepang) LAMPIRAN 10 Perhitungan Parameter Generator Impuls Marx (Standar Inggris) LAMPIRAN 11 Perhitungan Parameter Generator Impuls Marx (Standar Amerika) LAMPIRAN 12 Perhitungan Parameter Generator Impuls Marx (Standar IEC) LAMPIRAN 13 Program MATLAB viii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Jenis tegangan impuls... 6 Gambar 2.2 Tegangan impuls petir berdasarkan standar IEC... 8 Gambar 2.3 Standar bentuk gelombang tegangan impuls petir... 9 Gambar 2.4 Rangkaian generator impuls RLC... 10 Gambar 2.5 Rangkaian ekivalen generator impuls RLC... 11 Gambar 2.6 Kurva ln b terhadap k... 17 Gambar 2.7 Rangkaian generator impuls RC... 20 Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen generator impuls RC... 20 Gambar 2.9 Rangkaian generator impuls Marx tiga tingkat... 25 Gambar 2.10 Rangkaian generator impuls RC dengan induktansi sasar L... 26 Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen generator RC dengan induktansi sasar L... 26 Gambar 2.12 Bentuk gelombang impuls petir dengan induktansi sasar L... 30 Gambar 2.13 Rangkaian generator impuls RC dengan beban induktif... 31 Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen generator impuls RC dengan beban induktif L... 31 Gambar 2.15 Bentuk gelombang impuls petir dengan beban induktif L... 35 Gambar 2.16 Rangkaian pengujian untuk beban induktif... 36 Gambar 2.17 Rangkaian Glaninger untuk pengujian beban induktif... 36 Gambar 4.1 Hasil perhitungan MATLAB untuk parameter generator impuls RLC berdasarkan standar Jepang... 44 Gambar 4.2 Hasil perhitungan MATLAB untuk parameter generator impuls RLC berdasarkan standar Inggris... 45 ix
Gambar 4.3 Hasil perhitungan MATLAB untuk parameter generator impuls RLC berdasarkan standar Amerika... 46 Gambar 4.4 Hasil perhitungan MATLAB untuk parameter generator impuls RLC berdasarkan standar IEC... 47 Gambar 4.5 Hasil perhitungan MATLAB untuk parameter generator impuls RC berdasarkan standar Jepang... 48 Gambar 4.6 Hasil perhitungan MATLAB untuk parameter generator impuls RC berdasarkan standar Inggris... 49 Gambar 4.7 Hasil perhitungan MATLAB untuk parameter generator impuls RC berdasarkan standar Amerika... 50 Gambar 4.8 Hasil perhitungan MATLAB untuk parameter generator impuls RC berdasarkan standar IEC... 51 Gambar 4.9 Hasil perhitungan MATLAB untuk parameter generator impuls Marx berdasarkan standar Jepang... 53 Gambar 4.10 Hasil perhitungan MATLAB untuk parameter generator impuls Marx berdasarkan standar Inggris... 54 Gambar 4.11 Hasil perhitungan MATLAB untuk parameter generator impuls Marx berdasarkan standar Amerika... 55 Gambar 4.12 Hasil perhitungan MATLAB untuk parameter generator impuls Marx berdasarkan standar IEC... 56 Gambar 4.13 Rangkaian generator impuls RLC berdasarkan standar Jepang... 57 Gambar 4.14 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls RLC berdasarkan standar Jepang... 57 x
Gambar 4.15 Rangkaian generator impuls RLC untuk standar Jepang... 58 Gambar 4.16 Bentuk gelombang impuls petir berdasarkan standar Jepang... 59 Gambar 4.17 Rangkaian generator impuls RLC berdasarkan standar Inggris... 60 Gambar 4.18 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls RLC berdasarkan standar Inggris... 60 Gambar 4.19 Rangkaian generator impuls RLC untuk standar Inggris... 61 Gambar 4.20 Bentuk gelombang impuls petir berdasarkan standar Inggris... 61 Gambar 4.21 Rangkaian generator impuls RLC berdasarkan standar Amerika... 62 Gambar 4.22 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls RLC berdasarkan standar Amerika... 63 Gambar 4.23 Rangkaian generator impuls RLC untuk standar Amerika... 63 Gambar 4.24 Bentuk gelombang impuls petir berdasarkan standar Amerika. 64 Gambar 4.25 Rangkaian generator impuls RLC berdasarkan standar IEC... 65 Gambar 4.26 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls RLC berdasarkan standar IEC... 65 Gambar 4.27 Rangkaian generator impuls RLC untuk standar IEC... 66 Gambar 4.28 Bentuk gelombang impuls petir berdasarkan standar IEC... 66 Gambar 4.29 Rangkaian generator impuls RC berdasarkan standar Jepang... 67 xi
Gambar 4.30 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls RC berdasarkan standar Jepang... 68 Gambar 4.31 Rangkaian generator impuls RC untuk standar Jepang... 68 Gambar 4.32 Bentuk gelombang impuls petir berdasarkan standar Jepang... 69 Gambar 4.33 Rangkaian generator impuls RC berdasarkan standar Inggris... 70 Gambar 4.34 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls RC berdasarkan standar Inggris... 70 Gambar 4.35 Rangkaian generator impuls RC untuk standar Inggris... 71 Gambar 4.36 Bentuk gelombang impuls petir berdasarkan standar Inggris... 71 Gambar 4.37 Rangkaian generator impuls RC berdasarkan standar Amerika... 72 Gambar 4.38 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls RC berdasarkan standar Amerika... 73 Gambar 4.39 Rangkaian generator impuls RC untuk standar Amerika... 73 Gambar 4.40 Bentuk gelombang impuls petir berdasarkan standar Amerika. 74 Gambar 4.41 Rangkaian generator impuls RC berdasarkan standar IEC... 75 Gambar 4.42 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls RC berdasarkan standar IEC... 75 Gambar 4.43 Rangkaian generator impuls RC untuk standar IEC... 76 Gambar 4.44 Bentuk gelombang impuls petir berdasarkan standar IEC... 76 xii
Gambar 4.45 Rangkaian generator impuls Marx berdasarkan standar Jepang... 77 Gambar 4.46 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls Marx berdasarkan standar Jepang... 78 Gambar 4.47 Rangkaian generator impuls Marx untuk standar Jepang... 79 Gambar 4.48 Bentuk gelombang impuls petir berdasarkan standar Jepang... 79 Gambar 4.49 Rangkaian generator impuls Marx berdasarkan standar Inggris... 80 Gambar 4.50 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls Marx berdasarkan standar Inggris... 81 Gambar 4.51 Rangkaian generator impuls Marx untuk standar Inggris... 82 Gambar 4.52 Bentuk gelombang impuls petir berdasarkan standar Inggris... 82 Gambar 4.53 Rangkaian generator impuls Marx berdasarkan standar Amerika... 83 Gambar 4.54 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls Marx berdasarkan standar Amerika... 84 Gambar 4.55 Rangkaian generator impuls Marx untuk standar Amerika... 85 Gambar 4.56 Bentuk gelombang impuls petir berdasarkan standar Amerika. 85 Gambar 4.57 Rangkaian generator impuls Marx berdasarkan standar IEC... 86 xiii
Gambar 4.58 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls Marx berdasarkan standar IEC... 87 Gambar 4.59 Rangkaian generator impuls Marx untuk standar IEC... 88 Gambar 4.60 Bentuk gelombang impuls petir berdasarkan standar IEC... 88 Gambar 4.61 Rangkaian generator impuls RLC dengan induktansi sasar... 89 Gambar 4.62 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls RLC dengan induktansi sasar... 90 Gambar 4.63 Rangkaian generator impuls RC dengan induktansi sasar... 91 Gambar 4.64 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls RC dengan induktansi sasar... 91 Gambar 4.65 Rangkaian generator impuls RC dengan mengubah nilai R 1 dan C 2... 92 Gambar 4.66 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls RC dengan perubahan nilai R 1 dan C 2... 92 Gambar 4.67 Rangkaian generator Marx tiga tingkat dengan induktansi sasar... 93 Gambar 4.68 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls Marx dengan induktansi sasar... 94 Gambar 4.69 Rangkaian generator Marx tiga tingkat dengan mengubah nilai R 1 dan C 2... 94 Gambar 4.70 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls Marx dengan perubahan nilai R 1 dan C 2... 95 xiv
Gambar 4.71 Rangkaian generator impuls RLC dengan beban induktif... 96 Gambar 4.72 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls RLC dengan beban induktif... 96 Gambar 4.73 Rangkaian generator impuls RLC dengan mengubah nilai C dan R 0... 97 Gambar 4.74 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls RLC dengan perubahan nilai C dan R 0... 98 Gambar 4.75 Rangkaian generator impuls RLC dengan beban kapasitif... 99 Gambar 4.76 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls RLC dengan beban kapasitif... 99 Gambar 4.77 Rangkaian generator impuls RLC dengan mengubah nilai L, R S dan R 0... 100 Gambar 4.78 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls RLC dengan perubahan nilai L, R S dan R 0... 100 Gambar 4.79 Rangkaian generator impuls RC dengan beban induktif... 101 Gambar 4.80 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls RC dengan beban induktif... 101 Gambar 4.81 Rangkaian generator impuls RC dengan mengubah nilai C 1 dan R 2... 102 Gambar 4.82 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls RC dengan perubahan nilai C 1 dan R 2... 103 xv
Gambar 4.83 Rangkaian generator impuls RC dengan beban kapasitif... 104 Gambar 4.84 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls RC dengan beban kapasitif... 104 Gambar 4.85 Rangkaian generator impuls RC dengan mengubah nilai R 1... 105 Gambar 4.86 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls RC dengan perubahan nilai R 1... 106 Gambar 4.87 Rangkaian generator Marx tiga tingkat dengan beban induktif... 107 Gambar 4.88 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls Marx dengan beban induktif... 107 Gambar 4.89 Rangkaian generator impuls Marx dengan mengubah nilai C 1... 108 Gambar 4.90 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls Marx dengan perubahan nilai C 1... 108 Gambar 4.91 Rangkaian generator Marx tiga tingkat dengan beban kapasitif... 109 Gambar 4.92 Bentuk gelombang impuls petir generator impuls Marx dengan beban kapasitif... 110 xvi
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Standar bentuk tegangan impuls petir... 9 Tabel 2.2 Hubungan k dengan ln b... 16 Tabel 2.3 Nilai α dan β untuk berbagai bentuk gelombang... 23 xvii