PERCOBAAN 1 PEMBANGKITAN DAN PENGUKURAN TEGANGAN TINGGI BOLAK BALIK

1. Tujuan Percobaan Mahasiswa dapat membangkitkan tegangan tinggi bolak-balik dengan

menggunakan trafo uji tegangan tinggi. Mahasiswa dapat membandingkan cara-cara pengukuran tegangan tinggi dengan metoda pembagi tegangan kapasitif dan sela bola percik.

2. Teori Dasar 2.1.Pembnagkit Tegangan Tinggi Bolak-balik Pembangkit tegangan tinggi AC di laboratorium adalah transformator tegangan tinggi, alat ini terdiri dari tiga gulungan yang masing-masing disebut lilitan eksitasi atau pembangkit, lilitan kopling dan lilitan tegangan tinggi. Susunan dari ketiga gulungan tersebut dapat dilihat pada rangkaian penggantinya yaitu pada gambar 1.1. Parameter pada gulungan eksitasi adalah IE, ZE dan NE, untuk gulungan kopling IK, ZK dan NK, sedangkan gulungan tegangan tinggi IH, ZH dan NH, yang masing-masing menyatakan arus, impendasi dan jumlah lilitan.IE ZE NE NK ZK IK

NH ZH IH

Gambar 1.1. Rangkaian Ekivalen Trafo Tegangan Tinggi Bila rugi-rugi magnetisasi tidak ada maka gaya gerak magnet adalah berjumlah nol. Sehingga: IENE -IHNH - IKNK = 0.1.1 Untuk mendapatkan tegangan yang lebih tinggi lagi dilakukan penggabungan beberapa trafo yang disebut kaskade bertingkat. Pada susunan bertingkat ini, eksistansi pada

trafo berikutnya diparalel dengan rangkaian kopling. Gambar 1.2 menunjukkan rangkaian kaskade bertingkat dari beberapa trafo.

I(3)

31 21(2)

V2

V1 I(1)

(a)

Rangkaian Pengganti

IH Xres V2 V1=V1/a

(b)

Rangkaian yang disederhanakan

Gambar 1.2. Susunan Bertingkat Trafo Gambar 1.2b adalah rangkaian yang disederhanakan bila dilihat dari sisi tegangan tinggi. Untuk tingkat ke-n dan rugi-rugi daya diabaikan, maka rugi-rugi daya reaktif adalah;

I H X res i ( I E i X Ei I K i X Ki I H i X Hi ) ......................................1.2a2 2 2 2

X res i ( X Hi i 2{X E ( n i 1) X K ( n 1)}) ...........................................1.2bUntuk tiga tingkat, harga reaktansi bocor total adalah;

X res H H 1 ( X ' K 2 X ' E 2 ) X H 2 4( X ' K 1 X ' E1 ) X ' H 3 9 X ' E1

..1.3

Keadaan kerja dari trafo tegangan tinggi yang sesungguhnya mempunyai rugi-rugi daya, baik daya aktif maupun daya reaktif yang masing-masing diwakili oleh resistansi dan induktansi. Di samping itu, terdapat pula medan-medan listrik pada belitan terhadap tanah yang diwakili oleh kapsitansi denga notasi Cl. Kapasitansi terdapat pula pada sisi beban

dengan notasi Cb. Jadi, rangkaian pengganti yang tidak diabaikan besaran-besaran itu adalah pada gambar 1.3a.Rr Lr

C=Cl+Cb V1

(a) Rangkaian PenggantiI

jIwLr

V1

IRr

(b)

Diagram Phasor

Gambar 1.3.Rangkaian pengganti dan Diagram Phasor Bila harga resistansi Rr jauh lebih kecil dari harga reaktansi Lr, maka tegangan diaiai sekunder adalah;V2 1 V1 ......................................1.4 1 w 2 Lr C

dimana 1-w2LrCV1. Masalah lain yang dihadapi adalah bagaimana menentukan besar tegangan tinggi, karena alat ukur tegangan yang ada adalah berfungsi untuk tegangan rendah atau dengan kata lain alat ukur yang mengukur tegangan tinggi secara langsung belum ada. Para ahli yang terdahulu telah membuat metoda pengukuran tegangan tinggi yang cukup teliti. Adapun metoda itu adalah sela-bola, Cubb-Fortesque dan pembagian tegangan oleh kapasitor.

1.

Sela-Bola Dengan menggunakan elektroda-elektroda yang permukaannya berbentuk bola dengan diameter d, kedua elektroda ini dipisahkan sejauh s, bila kedua permukaan bola diberi beda tegangan maka untuk teganagan tertentu terjadi tembus tegangan puncak dari tegangan AC yang diterapkan. Gambar 1.4a adalah menunjukkan susunan dan kurva uji dari sela bola. Dan gambar 1.4b adalah kurva tegangan tembus yang bervariasi terhadap d dan s, terlihat untuk harga s yang sama besar tegangan tembus akan lebih tinggi pada harga d yang besar.

s

d

(a) Susunan Sela-BolaVo(kV)1000

d=100cm800

50cm600

400

25cm 10cm S (cm)

200

0

10

20

30

40

50

(b) Kurva Tegangan Tembus fungsi s dan d Gambar 1.4. Susunan dan kurva tegangan tembus sela-bola 2. Cubb-Fortesque Pada tahun 1913 Cubb dan Fortesque membuat metoda pengukuran tegangan tinggi AC dengan menggunakan kapasitor dan mengukur besar arus rata-rata untuk setengah perioda dengan merangkai dua dioda yang anti-paralel. Susunan

percobaannya seperti gambar 1.5.

Dengan menentukan geometri dan kondisi

lingkungan maka besar tegangan puncak AC saat terjadi tembus tegangan pada sela bola dapat ditentukan.

Vt

b 273 20 x Vo .....................................1.5a 1013 273 t= 0,289 x

b Vo ..........................................1.5b 273 t

Keterangan Vt adalah tegangan puncak pada suhu t Vo adalah tegangan puncak pada suhu 20C b adalah tekanan udara (mbar) t adalah temperatur (C)

Besarnya arus yang mengalir pada alat ukur amperemeter adalah setengah perioda adalah:

I1 C=

V t0

t 0

T ...................................1.6a 2

T t T 2

.................................................1.6b

Harga rata-rata dari arus yang lewat alat ukur amperemeter adalah;

1 I I1 (t )t ................................................1.7a T01 = TV (T ) 2

T

C(

V ( 0)

V )t ......................................1.7b t

=

C (Vm {Vm }) .......................................1.7c T2CVm .....................................................1.7d T

=

= 2 CfVm ...................................................1.7e

Jadi tegangan maksimum adalah:Vm I ........................................................1.8 2Cf

Keterangan Vm : tegangan maksimum AC yang diukur I : arus rata-rata yang dibaca pada alat ukur f : frekuensi tegangan AC yang diukurVm

C : kapasitansi

I I1

C I2

Im

t T/2 T 3T/2

V(t)V(t)

mA

(a) Rangkaian Percobaan

(b) Gelombang arus-tegangan

Gambar 1.5. Rangkaian dan gelombang percobaan Cubb-Fortesque 3. Dengan Kapasitor Gambar 1.6 adalah susunan percobaan pengukuran tegangan tinggi dengan metoda pada kapasitor.

C1 D

RL V2

C2

Cm Rm Vu

(a) Susunan PercobaanVu

0 T/2 T V2 3T/2

t

(b) Gelombang Tegangan

Gambar 1.6. Rangkaian dan gelombang tegangan pada metoda pembagian tegangan dengan kapasitor Untuk muatan pada kapasitor Cm tidak terjadi kekurangan muatan, maka harga RmCm>>T.dan dipilih harga resistansi Rl >>(1/C2), sehingga tegangan terbagi pada kapasitor C1 dan C2 yang harga puncak dari tegangan tinggi yang diukur dapat dinyatakan pada persamaan 1.9.V C1 C 2 Vu ...................................1.9 C1

3. Prosedur Percobaan 1. Membuat rangkaian seperti dibawah ini :

2. Mencatat perbandingan trafo uji, temperature ruang dan tekanan udara ruang. 3. Menggunakan bola diameter 100mm dan memasangkan pada objek uji. Mengambil suatu harga s=0,5 cm dari sela bola, atur Vp sehingga terjadi tembus pada sela bola. Mencatat V1, SM, temperature ruang, dan tekanan ruang pada saat terjadi tembus pada sela bola. Menurunkan tegangan Vp dan ulangi percobaan ini sedikitnya 3 kali. 4. Mengulangi langkah 3 untuk beberapa harga s : 10, 20, 30, 40, 50 mm sampai pada harga s tertentu yang menyebabkan harga pengukuran sekitar 100 kV. 5. Mengulangi langkah 3 dan 4 untuk diameter bola 50 cm. 6. Menurunkan Vp, matikan sumber dan percobaan selesai.

4. Data Hasil Percobaan

No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

S (mm)

10

20

30

40

50

U (kV) Diameter (mm) 100 50 19 18 19 18 19 18 36 34 36 34 36 35 50 46 51 47 51 48 64 64 64 75 76 75

T (Celsius) 23.5 23.5 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24

P (mmbar) 1005 1005 1005 1005 1005 1005 1005 1005 1005 1006 1006 1006 1006 1006 1006

5.

Analisa Data dan Grafik Contoh Pengolahan Data

Diameter bola 100mm = 10cm Dik : S = 40mm = 4cm U Rata - rata = 64 kV T = 24 C P = 1006 mmBar do = 105 kV d SBP = 0,289 = 0,289 = 102,784 KV d = = = 90,509 KV d KD = [0 T

Vm2sin2t.dt ]

=[ = Vm

0

1 - cos 2t dt ]

= x 90,509 = 45,2545 kV

Diameter bola 50mm = 5 cm Dik : S = 30mm = 3cm

U Rata - rata = 47 kV T =24 C P = 1006 mmBar do = 75,5 kV d SBP = 0,289 = 0,289 = 73,907 KV d = = = 66,468 KV d KD = [0 T

Vm2sin2t.dt ]

=[ = Vm

0

1 - cos 2t dt ]

= x 66,468 = 33,234 kV

5.1. Pembahasan Data Pada praktikum Tegangan Tinggi kali ini yaitu membahas tentang pembangkitan dan pengukuran tegangan tinggi AC. Proses pengukuran ini dilakukan dengan dua metode. Pertama, yaitu menggunakan metode sela bola percik. Ukuran bola yang digunakan ada dua macam, yaitu dengan bola berukuran 50 mm dan bola berukuran 100 mm. Perhitungan untuk metode sela bola percik dibutuhkan Udo yang didapatkan dari table Sphere Gap. Selanjutnya, yang kedua adalah metode pembagi kapasitif, dimana AC yaitu tegangan V effektif. Dari hasil perhitungan pembagi kapasitif dan hasil percobaan sela bola percik didapat nilai tegangan tembus AC dimana semakin besar jarak antar sela bola (s) maka tegangan tembus akan semakin besar. 5.2.Pembahasan Grafik a. Grafik fungsi Ud vs s pada bola berdiameter 100mm

b. Grafik fungsi Ud vs s pada bola berdiameter 50mm

Ud VS s 50100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 s (mm) 30 40 50

Ud (KV)

Ud KD Ud SBP

Dari grafik fungsi antara Ud terhadap jarak sela bola, dapat dilihat bahwa sela bola berbanding lurus dengan jarak sela bola (mm). Dari grafik dapat dilihat bahwa semakin besar s ( jarak antar sela bola percik) maka Ud ( tegangan tembus AC) akan semakin besar. Ada dua metode yang di lakukan yaitu metode 1 dengan melakukan percobaan langsung dengan menggunakan sela bola percik didapat hasil yang cukup jauh berbeda dengan metode 2 dengan melakukan perhitungan berdasarkan teory yaitu menggunakan rumus pembagi kapsitif. Dimana nilai tegangan tebus lebih besar dengan menggunakan metode sela bola percik. Selisih tegangan antara metode pembagi kapasitif dengan sela bola percik adalah setengahnya. Dari kedua grafik juga menunjukan bahwa diameter bola berpengaruh terhadap nilai tegangan tembusnya, dimana semakin besar diameter bola maka nilai tegangan tembusnya akan semakin besar juga. Dibuktikan dengan jarak sela bola yang sama pada s = 10 mm untuk bola dengan d = 50 mm didapat Ud = 18 kv, sedangkan bola dengan d = 100 mm didapat Ud = 19 kv Kemudian s yaitu merupakan jarak antara sela bola percik dimana semakin tinggi jaraknya maka tegangan tembus semakin besar.

6.

Kesimpulan Dari praktikum yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa ; Dengan menggunakan metode sela bola percik dan metode pembagi kapasitif memiliki nilai tegangan tembus AC yang berbeda, setengahnya. Nilai tegangan tembus yang terbesar dengan menggunakan metode sela bola percik ada pada nilai Ud = 120, 4 kV, pada saat s = 500 mm dan dengan diameter bola adalah 100 mm Nilai tegangan tembus yang terbesar dengan menggunakan metode pembagi kapasitif ada pada nilai Ud = 53,26 kV, ini didapat pada saat s = 500 mm dan dengan diameter bola percik adalah 100 mm Factor yang mempengaruhi besarnya nilai tegangan tembus AC adalah jarak antar sela bola percik (s), diameter bola yang digunakan dan ada pula factor lingkungan seperti temperature dan tekanan ruangan. Didapat grafik yang linier antara jarak bola (s) dengan tegangan tembus AC (Ud). Dimana semakin besar jarak sela bola (s) semakin besar juga tegangan tembusnya (Ud). Daftar Pustaka

Hermagasantos. Ir. Msc, 1994. Teknik Tegangan Tinggi , Jakarta : PT. Rosda jaya Putra. Mulyadi, Ahmad Deni. MT, 2004, Jobsheet Praktikum Pembangkitan Dan Pengukuran Tegangan Tinggi Bolak Balik. Politeknik Negeri Bandung.