BAB IV Beberapa Masalah Tegangan Tinggi. [PDF]

Citation preview

BAB 4 BEBERAPA MASALAH TEGANGAN TINGGI



Tujuan bab Melihat beberapa masalah yang ditimbulkan oleh penerapan tegangan tinggi. Setelah mempelajari bab ini dan mengerjakan pelatihannya, diharapkan anda mampu memahami:  Penomena korona  petir  Induksi medan listrik pada manusia



Pengertian Penerapan tegangan tinggi pada transmisi yang mampu mengurangi rugi-rugi yang signifikan. Dilain pihak adanya tegangan tinggi di transmisi akan menimbulkan berbagai persoalan, seperti korona, petir dan induksi pada manusia. Corona timbul karena terlepaskan muatan dari konduktor sehingga menimbulkan rugi-rugi. Kawat transmisi harus digelar di atas permukaan tanah akan rawan disambar petir, sehingga sambaran petir ini akan merusah peralatan-peralatan jaringan. Disisi lain tegangan tinggi menimbulkan medan listrik sehingga objek-objek dibawah transmisi tegangan tinggi sudah pasti terkena medan listrik, tidak terkecuali manusia.



4.1. Koronan Korona adalah terlepasnya muatan litrik dari permukaan konduktor. Modus terlepasnya muatan itu dalam skala besar dapat terlihat dengan mata telanjang, sedangkan dalam skala kecil tidak dapat terlihat oleh mata telanjang. Adanya korona ini akan membuat rugi-rugi di penghantar bertambah besar, sehingga dalam tenaga listrik korona harus diminimalkan sedapat mungkin. Bila kuat medan yang terjadi di permukaan kawat tegangan tinggi melebihi kuat medan, break down, maka akan terjadi pelepasan muatan listrik ke udara. Kondisi ini dapat terjadi pada medan yang seragam di antara dua elektroda yang paralel di udara. Pelepasan muatan ini dipengaruhi oleh beberapa kondisi yaitu: tekanan udara, bahan elektroda, adanya uap air di udara, photo-ionisasi dan type tegangan tinggi yang di terapkan.



4.1.1. Mekanisme Korona Phenomena korona dapat dianalisa dari muatan pada medium gas. Pelepasan muatan listrik umumnya dibangkitkan oleh suatu media listrik yang mempercepat elektronelektron bebas bergerak dalam medium gas. Jika elektron-elektron bebas itu mendapatkan energi yang cukup dalam medan listrik maka menghasilkan ion-ion baru setelah menabrak atom netral, dimana atom ini menjadi tidak netral atau bermuatan positif. Proses ini disebut dengan ionisai yang disebabkan oleh oleh dampak tabrakan elektron itu. Jumlah elektron akan berlipat ganda seperti yang diilustrasikan pada 1



gambar 4-1. Pertama elektron terpas dari permukaan elektroda, elektron ini menabrak atom di dalam gas dan terbentuk ion positif dan terdapat dua elektron dalam gas ini (pada proses kedua), selanjutnya terjadi pelipat-gandaan muatan-muatan di dalam gas itu.



Gambar 4-1 : pelepasan elektron pada elektroda negatif Dimana dasar ionisasi dapat ditunjukan oleh formulasi sebagai berikut. A  e  A   2e



Dimana : A adalah sebuah atom A+ adalah sebuah ion positif e adalah sebuah elektron Setelah sebuah elektron bertabrakan dengan sebuah atom maka sebuah elektron pada atom dibebaskan. Dan beberapa elektron berkemungkinan dapat juga membebaskan dua atau lebih elektron. Selanjutnya rantai reaksi yang menyebabkan bertambahnya kuantitas elektron secara cepat. Eksperimen pelepasan muatan dalam gas telah dilakukan oleh Townsend, yang memberikan suatu koefisien dari jumlah elektron yang dihasilkan oleh sebuah elektron yang bergerak sepanjang 1 cm dalam medan yang seragam, koefisien ini disebut dengan koefisien ionisasi pertama Townsend. Arus listrik yang terjadi oleh pelepasan elektron ini adalah I  I oed



......................................................................................................4-1 Dimana : I adalah arus pelepasan Io adalah arus awal α koefisien Townsend d adalah jarak koefisen α dipengaruhi oleh kuat medan, tekanan gas, dan kondisi lain yang mempengaruhi pembebasan elektron. Sedangkan untuk keadaan medan yang seragam, tetapi tidak melebihi break down gas maka arus pelepasan pada celah yang berjarak ‘d’ adalah : I  Io



ed 1   (ed  1)



...............................................................................4-2



Dimana: I adalah arus celah yang terjadi Io adalah arus awal dalam gas yang diluar sumber γ adalah koefisien Townsend ionisasi kedua 2



α adalah koefisien Townsend ionisasi pertama d adalah jarak celah Untuk keadaan break down arus akan menjadi tidak terbatas sehingga didapat :  (e ad  1)  1



.............................................................................................4-3 Analisa untuk keadaan break down jarang dilakukan karena permasalahannya menjadi rumit sekali.



4.1.2. DC Korona Gambar 4-2 adalah mekanisasi dari korona pada elektroda positif dan negatif. Karakteristik korona tergantung pada tegangan, bentuk permukaan elektroda, dan kondisi permukaan. Proses korona negatif, pertama muatan positif dan negatif terkumpul berdekatan (gambar 4-2). Pada proses berikutnya terlihat muatan negatif menjauhi elektroda dan kemudian meninggalkan elektroda. Dan akhirnya terbentuk muatan-muatan positif di permukaan elektroda. Sedangkan pada prose korona positif, pertama muatan negatif (elektron) dari udara menuju permukaaan elektroda dan ion-ion positif yang terbentuk pada permukaan elektroda akan menjauhi elektroda itu. Hal ini terluhat pada proses berikutnya.



Gambar 4-2 : Distribusi muatan dalam medan tak seragam



4.1.3. AC Korona Pada tegangan tinggi dan ekstra tegangan tinggi, korona terjadi pada ½ perioda gelombang tegangan positif dan negatif. Kejadian ini terlihat pada sifat korona DC untuk elektroda positif dan negatif. Dari konsep ini terlihat korona pada ½ gelombang negatif akan memberikan arus korona yang besar dibandingkan dengan ½ gelombang positifnya, hal ini disebabkan oleh mobilitas muatan negatif lebih tinggi yaitu : mobilitas muatan negatif 1,99 [(cm/dt)/(V/cm)] dan muatan positif 1, 40 [(cm/dt)/ (v/cm)]. Gambar 4-3 berikut adalah model korona yang terrjadi pada tegangan ac. Untuk kutub positif, model yang terjadi disebut permuaan kucuran (steamer onset), permulaan sinar (glow onset) dan permulaan breakdown kucuran (breakdown streamer onset). Sedangkan untuk kutub negatif adaah permulaan pulsa aliran kecil (trichel pulse 3



negative), permulaan sinar negatif (negative glow onset) dan permulaan kucuran negatif (negative streamer onset).



Gambar 4-3 : Kemungkinan model korons pada tegangan AC



4.1.4 Rugi-rugi korona Kuat medan listrik adalah min dari gradien tegangan dan bila tidak terjadi korona maka medan yang terjadi adalah medan Laplace yaitu tidak adanya aliran muatan (2V = 0). Sedangkan bila ada korona maka terjadi aliran muatan dipermukaan sehingga konsep medan Laplace tidak memenuhi syarat lagi. Yang memenuhi sayarat dalam peristiwa korona adalah konsep medan Poisson. Metoda pengukuran medan pada muatan yang mengalir di ruangan/udara adalah suatu masalah yang tersukar untuk dilakukan. Penyelidikan tentang adanya rugi-rugi arus oleh adanya korona adalah dibutuhkan untuk menentukan medan listrik yang terjadi pada keadaan korona itu. Suatu masalah yang sederhana diturunkan dari konfigurasi silinder yang dianalisa melalui medan poisson dengan muatan bebas. Dengan menerapkan hukum Peek (persamaan 4-4) untuk jari-jari 0,9 cm, kerapatan udara relatif adalah 1, kekasaran permukaan 0,5 dan dilingkungi oleh sangkar dengan jari-jari 26 cm terdapat besar medan maksimum terjadinya korona adalah 19,7 kV/cm. E c  30  m (1 



dimana: Ec  m r



0,3 ) ( r) 0,5



.................................................................4-4



adalah medan maksimum tidak terjadinya korona [kV/cm] adalah kerapatan udara relatif adalah kekasaran permukaan adalah jari-jari konduktor



Bila besar medan kecil dari Ec maka tidak terjadi korona dan sebaliknya akan terjadi korona. Berikut ini dapat dilihat beberapa perhitungan tegangan kritis untuk beberapa konfigurasi. 4



1. Silinder cosentris. Bila diameter dalam dan luar silinder adalah d1 dan d2 dalam satuan cm, tegangan pada silinder dalam adalah V dalam satuan kV dan silinder luar ditanahkan (0 kV) akan terdapat kuat medan sebesar E dan kapasitor adalah: E



V d1 ln (d 2 / d1 )



C 55,6 10-12  l ln (d 2 / d1 )



.........................................................................................4-5



................................................................................................4-6



Dan didapat medan dan tegangan kritis korona adalah E c  31 m (1 



0,436 ) .....................................................................................4 d1 



-7 Vc  E c (d1 / 2) ln (d 2 / d1 ) ................................................................................4



-8 2. konduktor paralel diudara Dua konduktor paralel yang identik dengan jarak antara konduktor s lebih besar dari diameter konduktor adalah d yang masing-masing dalam satuan cm, dimana s..d dan tegangan antar konduktor adalah V dalam sauan kV. Dalam hal ini terdapat kuat medan dan kapasitansi yang terjadi diantara konduktor adalah E



V d ln (2s / d)



C



27,8 10 -12 ln (2s / d)



.....................................................................................4-9 .......................................................................................4-10



Sedangkan kuat medan dan tegangankritis korona adalah 0,426 ) d  Vc  E c d ln (2s / d) E c  30 m (1 



.........................................................................4-11 ............................................................................4-12



Gambar 4-4 menunjukan konfigurasi dari susunan elektroda tersebut 3. Konduktor terhadap tanah. 5



Sama halnya dengan dua konduktor, kuat medan dan kapasitansi yang terjadi terhadap tanah dengan ketinggian h adalah: E



2V d ln (4h / d)



C



55,6 10 -12 ln (4h / d)



..................................................................................4-13 .......................................................................................4-14



Sedangakan kuat medan kritis korona sama dengan konduktor paralel, sehingga tegangan korona kritis adalah: Vc  E c (d / 2) ln(4h / d)



.......................................................................4-15



Kemudian dalam tahun 1911, Peek menyatakan rugi-rugi korona untuk konduktor kering dalam keadaan frekuensi daya yang mantap adalah: P  k (V - Vc ) 2 ,



dimana: P k Vc V



Vc  V



..................................................................4-16a adalah rugi-rugi korona [KW] adalah konstanta adalah tegangan kritis korona [KV] adalah tegangan sistem [KV]



Secara praktis harga k dinyatakan dalam persamaan 4-16b untuk satu phasa kawat. k



243,5







(f - 25)



r 10 -5 d



[kW / (kV2 Km Phasa)]



....................4-16b



Dengan batasan: 1) f = 25 – 120 Hz 2) r > 0,25 cm 3) V / Vc > 0,8 4) Kelembapan udara () tidak jelas sekali Kemudian dalam tahun 1924, Ryan dan Heline menganjurkan rugi-rugi korona yang cocok adalah: P  4 f C V (V - Vc )



...............................................................................4-17 Dimana : P adalah rugi-rugi korona [kW] f adalah frekuensi sistem [Hz] C adalah kapasitansi kawat-tanah [farad] V adalah tegangan sistem [kV] Vc adalah tegangan kritis korona [kV] Selanjutnya pada tahun 1933 dalam AIEE, Petersen telah mendiskusikan rugi-rugi korona yang cocok untuk kawat tanah adalah P



0,0000337 fV 2 F ..............................................................................4-18a [log (2h / d)] 2



Dimana : P adalah rugi-rugi korona [kW/mil] 6



f adalah frekuensi sistem [Hz] V adalah tegangan kawat-tanah sistem [kV] s adalah tinggi konduktor d adalah diameter konduktor F adalah faktor yang merupakan fungsi tegangan sistem terhadap tegangan kritis korona Untuk satu phasa kawat dengan V/Vc