Pengukuran Tegangan Tinggi D.C

Pengukuran Tegangan Tinggi D.C

Tegangan tinggi arus searah dapat diukur dengan berbagai cara :

1.      Pengukuran dengan resistor tegangan tinggi.

Arus yang digunakan untuk pengukuran ini harus sangat kecil yaitu berkisar 1 mA, dikarenakan batas pembebanan pada sumber tegangan serta pemanasan pada resistor ukur. Akan tetapi arus yang kecil mudah terganggu oleh arus – arus galat berupa arus – arus bocor dalam bahan isolasi dan permukaan isolasi serta berupa peluahan korona. Konstruksi resistor tegangan tinggi dibentuk dengan menhubungkan elemen – elemen resistor secara seri.

Gambar 1. Mengukur tegangan searah dengan suatu resistor seri atau pembagian resistif.

2.      Pengukuran dengan menghubung seri mikroammeter dengan resistor.

Tegangan tinggi DC biasanya diukur dengan menghubungkan tahanan yang sangat tinggi (beberapa ratus megaohm) terhubung seri dengan microammeter, sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2.

Arus I yang mengalir  melalui resistansi R diukur oleh moving coil microammeter. Besar tegangan sumber adalah :

            V = I R

Dalam hal ini drop tegangan dalam meter diabaikan, oleh karena impedansi meter sangat kecil dibanding dengan resistansi seri R. Peralatan proteksi seperti paper gap, neon glow tube atau zener diode, merupakan media proteksi bagi microammeter terhadap tegangan tinggi, ketika R mengalami kegagalan atau flash over.

Gambar 2.

3.      Pengukuran berdasarkan prinsip generator.

Muatan disimpan dalam kapasitor kapasintasi C yang diberikan oleh q = CV. Jika kapasitansi kapasitor bervariasi dengan waktu saat dihubungkan ke sumber tegangan V, maka arus yang melalui kapasitor adalah :

 

Untuk DC, tegangan                   ,oleh karena itu,

Untuk ferkuensi sudut w yang konstan, arus sebanding dengan tegangan yang diterapkan V. Pada umumnya arus yang dibangkitkan disearahkan dan diukur oleh moving coil meter. Generating voltmeter dapat digunakan untuk pengukuran tegangan AC.

4.      Pengukuran dengan Pemakaian Pembagi Tegangan

Untuk mengukur tegangan arus searah yang tinggi dibutuhkan pembagi tegangan. Alat ini dipakai untuk menurunkan tegangan yang tinggi menjadi tegangan yang rendah sehinga dapat disambungkan ke meter atau CRO. Nilai tegangan ini cukup besar sehingga tidak akan membahayakan alat ukur itu sendiri atau pemakai. Berdasarkan elemen-elemen yang dipakai, pembagi tegangan ini dapat dibedakan menjadi :

1. Pembagi tegangan resistif, berisi elemen tahanan.
2. Pembagi tegangan kapasitif, berisi elemen kapasitor.
3. Pembagi tahanan campuran antara resistor dan kapasitor.

 

Pembagi tegangan dengan kabel pelambat

            Jenis pembagi tegangan Z1 dan Z2 dapat berupa tahanan, kapasitor atau campuran RC. Elemen tahanan dan kapasitor bila diterapkan pada tegangan tinggi selalu terdapat pengaruh tahanan dan kapassitansi. Selain itu tahanan yang dipakai harus mempunyai induktansi yang kecil.

Pembagi tegangan berisi tahanan.

Bila Z₁ dan Z₂ adalah tahanan murni maka Z₁ = R₁ dan Z₂ = R₂, jadi

Bila Z₁ dan Z₂ adalah kapasitor murni, maka

Pengukuran Tegangan Tinggi A.C

Tegangan tinggi arus bolak balik dapat diukur dengan berbagai cara :

1.      Sphere Gap

Jika tegangan yang diterapkan melampaui tegangan tembus statis, maka dalam waktu beberapa μs, sela percik akan tembus.Selama selang waktu tersebut puncak tegangan jaringan dapat dianggap konstan.Oleh karena itu tembus dalam gas selalu terjadi pada puncak tegangan bolak balik frekuensi rendah.Untuk sela dengan medan yang homogen (waktu peluahan tembus sangat singkat) perilaku tersebut teramati untuk frekuensi yang lebih tinggi. Karena itu puncak tegangan bolak balik dengan frekuensi hingga 500 kHz dapat ditentukan dengan mengukur besar sela udara atmosfer sewaktu tembus.

Dalam gambar 1 ditunjukkan dua susunan sela bola untuk pengukuran. Susunan horizontal 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.

Untuk memperoleh ketelitian yang tinggi pada pengukuran dengan sela bola standar perlu diperhatikan hal-hal berikut :

• Jarak sela s < D
• Jarak sela s > 5 % jari-jari elektroda
• Permukaan elektroda tidak boleh berdebu
• Elektroda harus licin (jangan dibersihkan dengan pembersih yang kasar)
• Jarak benda di sekitar elektroda > (0,25 + V/300) m
• Untuk mencegah osilasi saat terjadi percikan, sebuah resistor yang tahanannya > 500 ohm diserikan dengan elektroda bola.

2.      Potential transformer

Trafo ukur adalah trafo stepdown yang dirancang khusus untuk pengukuran tegangan tinggi.Kumparan tegangan tinggi dihubungkan ke terminal yang akan diukur, sedangkan kumparan tegangan rendahnya dihubungkan dengan voltmeter atau alat ukur tegangan rendah lainnya.Rangkaian pengukuran ditunjukkan pada gambar berikut :

Jika tegangan voltmeter adalah V_u, maka tegangan tinggi yang hendak diukur adalah :

V_x = aV_u

Dimana a (faktor transformasi trafo ukur)

Sifat- sifat alat ukur ini adalah :

• Harganya mahal karena untuk tegangan yang sangat tinggi serta frekuensi yang relatif rendah (50 Hz) maka perkalian fluks magnetik  dan jumlah lilitan dari belitan tegangan tinggi menjadi sangat besar
• Hasil pengukurannya teliti
• Cocok untuk pengukuran di atas 100 kV
• Dapat digunakan untuk mengukur tegangan puncak, harga efektif tegangan, dan menunjukkan bentuk gelombang tegangan.

3.      Pengukuran tegangan puncak dengan kapasitor ukur

Dalam gambar di atas ditunjukkan suatu rangkaian untuk mengukur dengan tepat dan secara kontinu nilai puncak tegangan tinggi bolak balik terhadap bumi.Arus i yang tergantung pada laju perubahan tegangan u (t) mengalir melalui kapasitor tegangan tinggi C dan dilalukan menuju bumi melalui dua penyearah V₁ dan V₂ yang terpasang antiparalel.Nilai rata-rata Ī₁ dari arus i₁ diukur dengan piranti kumparan putar, pada kondisi tertentu nilai I₁ sebanding dengan nilai puncak tegangan tinggi U.Dengan mengandaikan penyearah ideal maka pada saat V₁ melalukan arus diperoleh persamaan berikut :

 untuk t = 0 … T/2

Untuk tegangan yang simetris :

dan dengan T = 1/f maka diperoleh persamaan berikut :

            Jika digunakan rangkaian penyearah gelombang penuh (rangkaian Graetz) sebagai pengganti rangkaian penyearah setengah gelombang pada gamar tersebut, maka faktor 2 pada penyebut dalam persamaan di atas harus diganti menjadi 4.Untuk menurunkan persamaan yang dimaksud maka u(t) tidak dianggap sinus, meskipun jika digunakan penyearah pasif (terutama dioda semikonduktor) maka tegangan tinggi yang terukur tidak boleh memiliki lebih dari satu puncak dalam setengah periode.Penggunaan penyearah mekanik sinkron atau penyearah yang dapat dikendali (kontak osilasi, penyearah putar) memungkinkan pengukuran tegangan bolak balik yang benar dengan lebih dari sebuah puncak dalam setengah periode.Pemantauan bentuk tegangan tinggi dengan osiloskop adalah perludan biasanya dilakukan dengan mengamati arus i₁ yang hanya memiliki sebuah perpotongan dalam setengah periode.

            Jika frekuensi f, kapasitansi ukur C dan arus Ī₁ dapat ditentukan dengan teliti maka pengukuran tegangan bolak balik yang simetris dengan teknik Chubb dan Fortesque dengan rangkaian yang sesuai sangat teliti dan cocok untuk mengalibrasi piranti ukur tegangan puncak yang lain [Boeck 1963].Kekurangan metode ini untuk pengukuran teknis adalah ketergantungan pembacaan pada frekuensi serta memerlukan pengamatan kurva.

4.      Pembagi tegangan kapasitif

Kini telah dikembangkan beberapa rangkaian penyearah untuk mengukur puncak tegangan tinggi bolak balik dengan bantuan pembagi kapasitif. Metode-metode ini lebih menguntungkan dibanding dengan rangkain Chubb-Furtesque dikarenakan nilai terukur tidak bergantung pada frekuensi serta membolehkan pengukuran dengan banyak puncak tegangan dalam setiap setengah periode.

Dalam gambar di atas menunjukkan rangkaian penyearah setengah gelombang yang sangat sederhana serta cukup teliti untuk berbagai penggunaan.Dalam rangkaian ini kapasitor ukur C_m dimuati hingga bertengangan Û₂ yakni nilai puncak dari u (t).Resistor R_m yang membuang muatan C_m diperlukan untuk mengatasi penurunan pada tegangan yang diterapkan.

            Konstanta waktu yang dipilih bergantung pada respon rangkaian yang dikehendaki, sehingga resistansi dalam dari perangkat ukur yang digunakan juga harus diperhitungkan.Umumnya digunakan nilai kosntanta waktu sebagai berikut :

R_mC_m < 1 detik

            Akan tetapi, konstanta waktu tersebut harus jauh lebih besar daripada periode T = 1/f dari tegangan bolak balik yang diukur sehingga tegangan U_m pada C_m tidak cepat menurun dalam selang waktu pengisian muatan, dalam gambar 4 ditunjukkan nilai-nilai sesaat dari U_m (t).Persyaratan tersebut  dapat dinyatakan dengan persamaan berikut :

R_mC_m >> 1/f

            Resistansi R₂ yang terpasang paralel dengan C₂ diperlukan untuk mencegah pengisian C₂ oleh arus yang mengalir melalui penyearah V_m.Nilai R₂ harus dipilih sedemikian sehingga jatuh tegangan pada R₂ (yang menyebabkan pengisian C₂) adalah sekecil mungkin.Dengan demikian :

R₂ << R_m

pada pihak lain pengaruh nilai R₂ terhadap perbandingan pembagi kapasitif harus sekecil mungkin :

R_e >> 1/(ωC₂)

            Dengan terpenuhinya semua kondisi di atas maka hubungan antara nilai puncak tegangan tinggi dengan tegangan terukur Û_m dapat dinyatakan dengan persamaan berikut :

            Alat ukur yang digunakan harus memiliki impedansi masukan yang tinggi.Untuk itu dapat digunakan meter-Volt elektrostatik , alat ukur kumparan putar dengan kepekaan tinggi dan penguat elektrometer atau penguat resistansi dengan penunjukan dogital atau analog.Perubahan rentang ukur biasanya disebabkan oleh pengubahan besar C₂­.

            Ketentuan-ketentuan terhadap nilai-nilai komponen di atas tiak berlaku umum serta membatasi ketelitian yang diperoleh terutama pada frekuensi rendah.Sifat-sifat tersebut dapat diperbaiki dengan menggunakan rangkaian yang lebih teliti [Zaeng, Volcker 1961].

            Ketelitian secara keseluruhan tidak hanya bergantung pada sifat-sifat rangkaian ukur pada sisi tegangan rendah, tetapi juga pada kapasitor tegangan tinggi.Kapasitor ukur untuk tegangan yang sangat tinggi sering tidak ditapis dengan sempurna sehingga menimbulkan galat tambahan akibat medan-medan bocor [Luhrmann 1970].

           

Keburukan pembagi tegangan kapasitif ini antara lain adalah :

• Hasil pengukuran dipengaruhi oleh kapasitansi kabel ukur
• Kesalahan bisa terjadi karena adanya kapasitansi antara kondensator C_h dan tanah yang disebut kapasitansi sasar.Kapasitansi sasar dijumpai juga antara kondensator C_h dan selubung kabel.Hal ini berpengaruh terhadap hasil pengukuran terutama pada saat pengukuran tegangan tinggi impuls.

            Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam penggunaan pembagi tegangan kapasitif adalah :

• Kabel ukur harus kabel koaksialn yang konduktor luarnya ditanahkan.Hal ini dimaksudkan untuk mencegah pengaruh induksi dari pembagi tegangan terhadap inti kabel
• Untuk mengurangi pengaruh induksi pembagi tegangan terhadap osiloskop, maka jarak osiloskop dan pembagi tegangan harus relatif jauh
• Sebaiknya osiloskop diberi perisai (shielding) untuk mencegah pengaruh induksi dari pembagi tegangan terhadap tampilan osiloskop.

5.      Voltmeter elektrostatik

Jika diterapkan tegangan u (t) pada suatu susunan elektroda, misalnya seperti dalam gambar a, maka medan elektrik menghasilkan gaya F (t) yang cenderung mempersempit sela elektroda s. Gaya tarik tersebut dapat dihitung dari perubahan energi dari medan elektrik :

Kapasitansi C dari susunan bergantung pada besar sela s.

            Dengan melepas sumber tegangan maka gaya F (t) dapat diperoleh dari hukum kekekalan energi dW + F ds = 0 [Kupfmuller 1965].Dengan memperhitungkan bahwa muatan Cu (t) tidak bergantung pada besar sela :

            Jika nilai rata-rata F dihitung dari persamaan ini maka diperoleh hubungan yang linear antara F dan nilai efektif kuadrat dari tegangan yang diterapkan :

            Pengaruh faktor dC/ds bergantung pada cara pengubahan gaya F menjadi bentuk pembacaan.Secara umum dC/ds akan berubah renang ukur sehingga simpangan pembacaan tidak lagi bergantung secara kuadrat.

            Dalam gambarb dicontohkan dengan sederhana suatu piranti ukur elektrostatik yang dirancang oleh Starke dan Schroeder. Gaya F (t) bekerja pelat kecil 1 yang ditempatkan pada tuas dengan sebuah poros, pada ujung tuas yang lain ditempatkan cermin 3 yang memantulkan berkas cahaya untuk penunjujan optik. Pegas pelat 2 berfungsi untuk menghasilkan momen penahan.

Pengukuran Tegangan Impuls

1.      Pengukuran tegangan tinggi Impuls dengan sela percik bola.

 

Tegangan tembus udara tergantung pada kuat medan listrik tembus udara, diameter bola yang akan mempengaruhi efisiensi medan listrik pada permukaan konduktor dan jarak sela. Dalam suatu persamaan dinyatakan bahwa :

Ud₀ = Ed . s . h          

Dimana :                                                        

Ud₀      : tegangan tembus udara (kV)

Ed        : Kuat medan listrik tembus udara (kV/cm)

s           : jarak sela konduktor (cm)

η          : efisiensi medan listrik konduktor

2.      Pembagi Tegangan Resistif

 

Gambar di atas merupakan Sistem Pengukuran tegangan impuls dengan pembagi resistif, dimana gangguan terpenting dari perilaku ideal pembagi diakibatkan oleh kapasitansi bumi dari cabang tegangan tinggi R, yang harus panjang untuk mengisolasi tegangan yang lebih tinggi. Kapasitansi bumi ini didekati dengan kapasitansi C dalam rangkaian ekivalen dalam gambar b yang dihubungkan ditengah-tengah R_1.

Dengan menggunakan persamaan  dalam a maka respon langkah satuan dari rangkaian ini dapat diturunkan sebagai :

3.      Pembagi Tegangan Kapasitif

Pada pembagi tegangan kapasitif perbandingan transformasi akan berbeda untuk frekuensi yang berlainan dari :

                                                           

untuk frekuensi sangat tinggi

                                                           

 

untuk frekuensi yang lebih rendah

4.      Menentukan Perilaku Rangkaian Ukur Tegangan Impuls dengan Percobaan

 

Rangkaian sistem pengukuran tegangan pengukuran tegangan impuls yang lengkap:

1.pembangkit tegangan impuls

2. obyek uji

3. saluran pembagi

4. pembagi

5. Kabel Ukur

6. KO

Disini tegangan u₁ (t) yang diukur adalah tegangan pada terminal objek uji, sementara hasil pengukutan u₂ (t) berkaitan dengan kurva pada layar KO.

            Waktu tanggap sistem pengukuran secara keseluruhan (T_res )  diperoleh dari waktu tanggap (T), waktu tanggap kabel ukur koaksial (T_K) dan waktu tanggap osiloskop (T_KO)