BAB II TEGANGAN TINGGI 2.1 Umum Pengukuran tegangan tinggi berbeda dengan pengukuran tegangan rendah, sehingga perlu penjelasan khusus mengenai pengukuran ini. Ada tiga jenis tegangan tinggi yang akan diukur dalam pengujian tegangan tinggi, yaitu tegangan tinggi bolak-balik, tegangan tinggi searah, dan tegangan tinggi impuls. Pengujian tegangan tinggi pada umumnya diperlukan untuk mengetahui apakah peralatan tegangan tinggi yang diuji masih memenuhi standar kualitas dan kebutuhan yang dispesifikasikan pada peralatan tersebut. Lingkup studi teknik tegangan tinggi mencakup semua masalah seperti studi tentang korona, teknik isolasi, tegangan lebih pada sistem tenaga listrik, proteksi tegangan lebih, dan lain-lain. Dengan begitu banyaknya masalah yang mencakup tegangan tinggi, maka dibutuhkanlah pengujian tegangan tinggi dengan maksud sebagai berikut: 1. Untuk meneliti sifat-sifat listrik dielektrik yang baru ditemukan, sebagai usaha dalam menemukan bahan isolasi yang lebih murah. 2. Untuk verifikasi hasil rancangan isolasi baru, yaitu hasil rancangan yang telah dikurangi volume isolasinya.
3. Untuk memeriksa kualitas peralatan sebelum terpasang, hal ini dilakukan untuk menghindarkan kerugian bagi pemakai peralatan. 4. Untuk memeriksa kualitas peralatan setelah beroperasi dalam rangka mengurangi kerugian semasa pemeliharaan. Perlunya pengujian tegangan tinggi seperti diuraikan di atas menuntut adanya cabang studi tegangan tinggi yang membahas khusus pengujian tegangan tinggi. Studi ini akan mempelajari cara kerja dan karakteristik peralatan-peralatan uji tegangan tinggi dan prosedur pengujian yang telah distandarisasi. Adapun peralatan-peralatan yang dibutuhkan untuk pengujian tegangan tinggi adalah: 1. Pembangkit tegangan tinggi yang terdiri atas: pembangkit tegangan tinggi ac, pembangkit tegangan tinggi dc, dan pembangkit tegangan tinggi impuls. 2. Alat ukur tegangan tinggi yang terdiri atas alat ukur tegangan tinggi dc, alat ukur tegangan tinggi ac, dan alat ukur tegangan tinggi impuls. 3. Alat pengukur sifat listrik dielektrik, antara lain alat ukur rugi-rugi dielektrik, alat ukur tahanan isolasi, alat ukur konduktivitas, dan alat ukur peluahan parsial.
2.2 Tegangan Tinggi AC Dalam laboratorium diperlukan tegangan tinggi bolak-balik untuk percobaan dan pengujian dengan arus bolak-balik serta untuk membangkitkan tegangan tinggi searah dan pulsa. Trafo uji yang biasa digunakan untuk keperluan tersebut memiliki daya yang lebih rendah serta perbandingan belitan yang jauh lebih besar daripada trafo daya. Arus primer biasanya disulang dengan ototrafo sedangkan untuk kasus khusus disulang dengan pembangkit sinkron. Hampir semua pengujian dan percobaan dengan tegangan tinggi bolak-balik mensyaratkan nilai tegangan yang teliti. Hal tersebut umumnya hanya akan terpenuhi jika pengukuran dilakukan pada sisi tegangan tinggi; untuk itu telah disusun berbagai cara dalam mengukur tegangan tinggi bolak-balik. Bentuk V(t) untuk tegangan tinggi bolak-balik sering menyimpang dari bentuk sinus. Dalam teknik tegangan tinggi, nilai puncak Vˆ dan nilai efektif Vef memiliki arti yang sangat penting : V rms = 1 T T 0 V 2 ( t) dt Untuk pengujian tegangan tinggi besaran V didefinisikan sebagai tegangan uji. Di 2 sini diandaikan bahwa penyimpangan bentuk tegangan tinggi dari bentuk sinus masih dalam batas yang diijinkan. Untuk sinusoidal murni V = V 2 rms
2.3 Mekanisme Terjadinya Tegangan Tembus Listrik Suatu dielektrik tidak mempunyai elektron-elektron bebas, melainkan elektronelektron yang terikat pada inti atom unsur yang membentuk dielektrik tersebut. Setiap dielektrik mempunyai batas kekuatan untuk memikul terpaan elektrik. Pada gambar 2.1 ditunjukkan suatu bahan dielektrik yang ditempatkan di antara dua elektroda piring sejajar. Bila elektroda diberi tegangan searah V, maka timbul medan elektrik (E) di dalam dielektrik. Medan elektrik ini memberi gaya kepada electron-elektron agar terlepas dari ikatannya dan menjadi electron bebas. Dengan kata lain, medan elektrik merupakan suatu beban yang menekan dielektrik agar berubah sifat menjadi konduktor. Jika terpaan elektrik yang dipikulnya melebihi batas tersebut dan terpaan berlangsung cukup lama, maka dielektrik akan menghantar arus atau gagal melaksanakan fungsinya sebagai isolator. Dalam hal ini dielektrik disebut tembus listrik atau breakdown. Terpaan elektrik tertinggi yang dapat dipikul suatu dielektrik tanpa menimbulkan dielektrik tembus listrik disebut kekuatan dielektrik. Jika suatu dielektrik mempunyai kekuatan dielektrik E k, maka terpaan elektrik yang dapat dipikulnya adalah Jika terpaan elektrik yang dipikul dielektrik melebihi E k. E k, maka di dalam dielektrik akan terjadi proses ionisasi berantai yang akhirnya dapat membuat dielektrik mengalami tembus listrik. Proses ini membutuhkan waktu dan lamanya tidak tentu tetapi bersifat statistik. Waktu yang dibutuhkan sejak mulai terjadi ionisasi sampai terjadi tembus listrik disebut waktu tunda tembus (time lag). Jadi tidak selamanya terpaan elektrik dapat menimbulkan tembus listrik, tetapi ada dua syarat yang harus dipenuhi, yaitu: (1) terpaan elektrik yang dipikul dielektrik harus lebih besar atau sama dengan
kekuatan dielektriknya dan (2) lama terpaan elektrik berlangsung lebih besar atau sama dengan waktu tunda tembus. Tegangan yang menyebabkan dielektrik tersebut tembus listrik disebut tegangan tembus atau breakdown voltage. Tegangan tembus adalah besar tegangan yang menimbulkan terpaan elektrik pada dielektrik sama dengan atau lebih besar daripada kekuatan dielektriknya. + Elektroda V E Dielektrik - Elektroda Gambar 2.1. Medan elektrik dalam Dielektrik
BAB III ELEKTRODA BOLA 3.1 Umum Pengukuran tegangan tinggi dengan elektroda bola pada kenyataannya dipengaruhi beberapa hal, salah satunya adalah keadaan udara. Dalam prakteknya, keadaan udara saat pengujian tidak selalu sama dengan keadaan standar. Oleh karena itu hasil pengukuran pada keadaan udara sembarang adalah sebagai berikut : ^ V = δ ^ V S dimana : ^ V = Tegangan sela bola pada saat pengujian (keadaan udara sembarang) ^ Vs = Tegangan tembus sela bola standar δ = faktor koreksi udara Faktor koreksi udara tergantung kepada suhu dan tekanan udara, besarnya adalah sebagai berikut :
0, 386 p δ = 273 + θ dimana: θ p = temperatur udara ( 0 C ) = tekanan udara (mmhg) Sebenarnya kelembapan udara juga mempengaruhi tegangan tembus sela bola. Jika hal ini diperhitungkan maka tegangan tembus elektroda bola menjadi sebagai berikut : ^ V δ Vs = k h ^ Dimana kh adalah faktor koreksi yang tergantung pada kelembapan udara. Elektroda bola standar dibuat dengan dua bola logam yang memiliki diameter D yang identik dan memiliki kaki penopang, alat pengoperasian, dan isolator pendukung. Elektroda tersebut biasanya terbuat dari tembaga, kuningan, atau aluminium yang belakangan ini banyak digunakan karena biayanya lebih murah. Diameter standar untuk elektroda bola-bola tersebut yang adalah 2,5,10,12,15,25,50,75,100,150, dan 200cm. Jarak-jarak itu dirancang dan dipilih seperti itu agar flashover terjadi di dekat titik percik. Elektroda-elektroda itu dirancang dan diproduksi dengan hati-hati sehingga permukaannya lembut dan memiliki kelengkungan yang seragam/sama. Jari-jari kelengkungan diukur dengan sebuah spherometer di titik-titik yang bervariasi pada area
yang ditutup oleh sebuah lingkaran 0,3D mengelilingi titik percik tidak boleh berbeda lebih ± 2% dari nilai nominal. Permukaan bola harus bersih dari debu, minyak, atau pelapis lainnya. Permukaan elektroda harus dipertahankan tetap bersih tetapi tidak perlu dipoles. Jika ada lubang yang terjadi akibat tembus listrik yang berulang-ulang maka elektroda harus dibersihkan. Untuk memperoleh ketelitian yang tinggi, hal-hal ini diperhatikan : 1. Jarak sela s< D 2. Jarak sela > 5 % jari-jari elektroda 3. Permukaan elektroda tidak boleh berdebu 4. Elektroda harus licin ( jangan dibersihkan dengan pembersih yang kasar) 5. Jarak benda disekitar elektroda >(0,25+ V/300)m. 6. Untuk mencegah osilasi saat percikan, sebuah resistor yang tahanannya > 500 ohm diserikan degan elektroda bola. Konduktor tegangan tinggi juga dirancang sehingga tidak mempengaruhi konfigurasi medan listrik. Sebuah tahanan seri biasanya dihubungkan di antara sumber listrik dan elektroda bola untuk membatasi arus yang terjadi akibat tegangan tembus dan juga memperkecil osilasi yang tidak diinginkan pada sumber tegangan listrik ketika terjadi tegangan tembus (pada kasus tegangan impuls). Nilai resistansi seri bervariasi mulai dari 100 sampai 1000 k Ω untuk ac dan tidak lebih dari 500 Ω pada kasus tegangan impuls. Pada kasus pengukuran tegangan puncak ac dan tegangan dc, tegangan yang diberikan dinaikkan secara teratur sampai terjadi tembus listrik pada sela bola.
3.2 Pengukuran Tegangan Tinggi Dengan Elektroda Bola Standar Elektroda bola standar digunakan untuk mengukur tegangan tinggi bolak-balik, tegangan tinggi searah, dan tegangan tinggi impuls. Diameter elektroda bola terdiri atas beberapa ukuran standar, antara lain: 2 cm, 10 cm, 50 cm, bahkan ada yang berukuran sampai 200 cm. Pada keadaan udara standar, yaitu temperatur udara 20 0 C, tekanan 3 udara 760 mmhg, dan kelembapan mutlak 11 gr m, tegangan tembus sela bola standar untuk berbagai jarak sela bola adalah tetap. Pada umumnya sela bola lebih sering digunakan untuk pengukuran tegangan tinggi daripada sela dengan medan yang homogen maupun sela batang. Pada beberapa kasus tertentu sela dengan medan yang homogen dan sela batang juga digunakan, namun ketelitiannya kurang. Tegangan tembus sela bola khususnya, tidak tergantung pada bentuk gelombang tegangan tinggi dan oleh sebab itu sangat cocok untuk semua jenis bentuk gelombang dari tegangan dc sampai impuls untuk kenaikan waktu yang singkat ( kenaikan waktu 0,5 µ s ). Sela bola juga dapat digunakan untuk pengukuran tegangan puncak ac pada frekuensi radio (di atas 1 MHz). Sela bola dibuat dari dua buah bola logam yang identik dengan diameter D dan memiliki alat untuk mengoperasikan dan isolator pendukung. Sela bola dapat disusun (1) secara horizontal dengan kedua sela bola dihubungkan pada sumber tegangan atau salah satunya dibumikan atau (2) secara vertical dengan sela bola yang lebih rendah atau letaknya di bawah dibumikan.
3.2.1 Pengukuran Dengan Susunan Elektroda Bola Secara Horizontal Pada pengukuran dengan susunan elektroda bola secara horizontal, biasanya disusun dengan kedua bola simetris pada tegangan tinggi di atas permukaan tanah. Kedua bola yang digunakan harus memiliki bentuk dan ukuran yang identik. Bentuk susunan elektroda bola secara horizontal dapat ditunjukkan pada gambar 3.1. Susunan horisontal digunakan untuk diameter D < 50 cm dengan rentang tegangan yang lebih rendah sedangkan untuk diameter yang lebih besar digunakan susunan vertikal yang mengukur besar tegangan terhadap bumi. Tegangan yang akan diukur dilewatkan antara kedua sela bola dan jarak atau sela S diantara kedua bola tersebut memberikan suatu ukuran dari besarnya tegangan tembus. Pada kasus nilai tegangan puncak ac dan pengukuran tegangan dc, tegangan yang dipakai secara keseluruhan dinaikkan sampai terjadi tembus listrik pada sela bola. D S Gambar 3.1. Susunan Elektroda Bola Secara Horisontal
3.2.2 Pengukuran Dengan Susunan Elektroda Bola Secara Vertikal Susunan elektroda bola secara vertikal lebih sering digunakan pada pengukuran tegangan tinggi. Berbeda dengan elektroda yang disusun secara horizontal yang lebih sering digunakan pada pengukuran tegangan yang relative lebih rendah. Bentuk susunan elektroda bola secara vertikal dapat dilihat pada gambar 3.2. Isolasi yang menopang bola di bagian atas harus berjarak kurang dari 0,5 D dengan D adalah diameter. Elektroda bola itu disokong oleh sebuah kaki logam yang bersifat konduktif yang tidak lebih dari 0,2 D dan paling sedikit sebesar D( sehingga titik percik sekurang-kurangnya berjarak 2 D dari ujung yang lebih rendah isolator bagian atas). Tegangan tinggi harus tidak boleh lewat dekat dengan elektroda yang ada di atas. Idealnya tegangan tersebut harus dialirkan dari kaki elektroda menjauh melalui sebuah bidang datar yang tegak lurus dengan kaki paling tidak 1 D dari elektroda. Elektroda yang terletak di bawah harus berjarak paling sedikit 1,5 D di atas permukaan tanah. S D Gambar 3.2. Susunan Elektroda Bola Secara Vertikal
3.3. Pengaruh Objek Sekitar Terhadap Pengukuran Elektroda Bola-Bola Ada beberapa faktor yang mempengaruhi tegangan tembus pada pengukuran dengan elektroda bola diantaranya adalah: (1) objek di sekitar elektroda bola, (2) kondisi dan kelembapan udara, (3) penyinaran dengan ultra-violet atau sinar x, (4) polaritas dan kenaikan waktu gelombang tegangan. Tugas Akhir ini membahas bagaimana pengaruh keberadaan objek-objek di sekitar elektroda bola terhadap pengukuran tegangan tinggi dengan menggunakan elektroda bola-bola. Pengaruh jarak objek sekitar terhadap elektroda bola diperlihatkan pada gambar 3.3. Elektroda Bola Objek Sekitar Gambar 3.3. Objek disekitar elektroda bola
Jika objek sekitar diletakkan pada jarak tertentu dengan elektroda bola maka akan terbentuk kapasitansi antara elektroda bola dengan objek yang ada di sekitar seperti pada plat sejajar seperti pada gambar 3.4. Gambar 3.4. Kapasitansi antara elektroda bola dengan objek sekitar Besar kapasitansi yang terbentuk adalah: A C= ε d Dimana : A = luas permukaan bola ε = permitivitas hampa udara 8.825 x 10.12 d = jarak bola dengan objek sekitar. C= kapasitansi
Kapasitansi yang terbentuk antara objek sekitar dengan elektroda bola mempengaruhi tegangan tembus pada selabola. Yang disebabkan oleh medan.listrik dari elektroda bola ke objek sekitar. Jika jarak elektroda bola dengan objek sekitar semakin besar maka kapasitansi yang terbentuk antara elektroda dengan objek semakin kecil, maka arus bocor yang terbentuk antara elektroda bola ke objek juga semakin kecil. 3.3.1. Distribusi Medan Listrik dari Elektroda Bola ke Objek Sekitar Ukuran terpaan elektrik pada suatu dielektrik ialah kuat medan elektrik yang sangat penting untuk ditentukan dalam teknologi tegangan tinggi. Yang dimaksudkan dengan ketahanan elektrik dari suatu bahan isolasi ialah nilai kuat medan yang masih diijinkan pada kondisi-kondisi tertentu seperti misalnya jenis tegangan, tempo penerpaan, suhu atau kelengkungan elektroda. Batas ketahanan elektrik medium isolasi akan tercapai jika nilai kuat medan tembus bahan tersebut telah terlampaui pada sembarang titik. Karena itu maka penentuan kuat medan maksimum memiliki arti yang sangat penting. Lintasan garis-garis medan elektrik ditentukan oleh arah kuat medan elektrik E. Garis-garis medan tersebut ortogonal terhadap garis-garis ekipotensial pada setiap titik dan tegak lurus pula terhadap permukaan elektroda. Jika pada bidang batas antara dua dielektrik tidak terdapat muatan-muatan permukaan maka komponen normal kuat medan berbanding terbalik dengan konstanta dielektrik bahan isolasi. Di sisi lain komponen tangensial dari kuat medan elektrik bernilai kontinu di sepanjang bidang batas.
Q ekuipotensial ϕ b a Q garis medan Objek sekitar Elektroda Bola Gambar 3.5 Contoh untuk medan dua dimensi dengan garis medan dan garis ekuipotensial Daerah yang dicakup oleh garis-garis medan yang berdekatan (lihat gambar 3.5) memiliki fluksi elektrik yang sama sebesar Q = blε E dengan l adalah panjang r ε o konfigurasi yang tegak lurus terhadap bidang dan ε r ε o = ε adalah konstanta dielektrik dari medium dielektrik. Jika perbedaan potensial (yang konstan) antara dua garis ekipotensial yang berdekatan diganti dengan E ( ingat b berikut: ε r = k. a ϕ = Ea ) maka diperoleh kondisi
Konstanta dapat dipilih sembarang. Dalam contoh yang diberikan, diandaikan b/a = 1. Dengan menyatakan jarak antara dua garis ekipotensial yang berdekatan pada sembarang titik adalah a, maka kuat medan elektrik pada titik tersebut adalah: E 1 ϕ =. a 1 Jika m adalah jumlah garis ekipotensial yang digambarkan(tidak termasuk permukaan elektroda), maka tegangan total yang diterapkan adalah: V = ( m + 1) ϕ. Jika garis medan yang digambarkan antara elektroda-elektroda ialah n, maka fluksi elektrik total dapat dinyatakan dengan persamaan berikut: Q = nb1 lε o ε E 1. Dengan substitusi yang sesuai maka diperoleh kapasitansi konfigurasi sebagai berikut: r C = Q V = n klε o. m + 1 3.3.2. Distribusi Tegangan akibat Pengaruh Jarak Objek Sekitar terhadap Elektroda Bola Pengaruh objek di sekitar elektroda bola dapat diumpamakan dengan memasukkan elektroda bola ke dalam silinder yang mempunyai diameter B. Diamati bahwa terjadi penurunan tegangan tembus. Penurunan itu sebesar dimana V = m log (B/D) + C (7.21)
V = penurunan persentase, B = diameter silinder, D = diameter bola, S = jarak sela bola, m dan C adalah konstanta Penurunan ini kurang dari 2% untuk S/D 0,5 danb/d 0.8. Bahkan untuk S/D 1,0 dan B/D 1.0 pengurangan itu hanya 3%. Oleh karena itulah, jika spesifikasi tentang kelonggaran erat diamati kesalahannya dalam toleransi dan akurasi ditetapkan.