Kondisi operasi peralatan ukur listrik

Dalam melakukan kegiatan inspeksi suatu jaringan atau instalasi ketenagalistrikan diperlukan seperangkat alat pengukur. Alat pengukur tersebut digunakan untuk mengukur parameter-parameter jaringan, antara lain arus dan tegangan listrik, daya aktif, daya reaktif, konsumsi energi listrik, tahanan isolasi dan tahanan pentanahan. Kegiatan mengukur besaran-besaran listrik tersebut lazim disebut sebagai pengukuran.

Lembar Kerja 1: Menentukan Nilai Ukur pada Skala Ukur Analog

Tentukan nilai ukur dari skala ukur analog seperti diperlihatkan dalam Gambar 6.1. Gambar 6.1 a. Batas ukur yang digunakan adalah: 25 DCV, 50 DCV, dan 100 DCV Gambar 6.1 b. Batas ukur yang digunakan adalah: 5 A, 10 A, dan 25 A

Menentukan Kondisi Operasi Pengukuran Arus dan Tegangan

Alat pengukur yang digunakan pada pengukuran besaran listrik, didesain khusus sesuai fungsinya. Alat pengukur tersebut adalah:

Volt meter untuk mengukur tegagan listrik
Amper meter untuk mengukur arus listrik
kW meter untuk mengukur daya aktif
kvar meter untuk mengukur daya reaktif
kWh meter untuk mengukur konsumsi energi listrik
Ohmmeter untuk mengukur tahanan listrik
Megger atau insulation Tester untuk mengukur tahanan isolasi
Earth Tester untuk mengukur tahanan pentanahan.

1. Pembacaan Nilai Ukur

Ada dua sistem pengukuran yaitu sistem analog dan sistem digital. Sistem analogberhubungan dengan informasi dan data analog. Sinyal analog berbentuk fungsi kontinyu,misalnya penunjukan temperatur dalam ditunjukkan oleh skala, penunjuk jarum pada skalameter, atau penunjukan skala elektronik.Sistem digital berhubungan dengan informasi dan data digital. Penunjukan angka digital berupa angka diskret dan pulsa diskontinyu berhubungan dengan waktu. Penunjukan display dari tegangan atau arus dari meter digital berupa angka tanpa harus membaca dariskala meter. Sakelar pemindah frekuensi pada pesawat HT juga merupakan angka digital dalam bentuk digital.

Dilihat dari cara menentukan nilai ukurnya, maka alat ukur/uji listrik dibedakan menjadi dua, yaitu:

Alat pengukur Analog (menggunakan jarum penunjuk), Pembacaan nilai ukurnya dilakukan dengan mengalikan penunjukan jarum dengan konstanta ukurnya. Misalnya jarum menunjukkan angka 12,5. Sedang konstanta ukurnya adalah 10 volt. Maka nilai ukurnya adalah 125 volt.
Alat ukur Digital, pembacan nilai ukur dapat dilakukan secara langsung.

Alat Ukur Analog

Alat ukur listrik analog merupakan alatukur generasi awal dan sampai saat inimasih digunakan. Bagiannya banyakkomponen listrik dan mekanik yang salingberhubungan. Bagian listrik yang pentingadalah, magnet permanen, tahanan meter,dan kumparan putar. Bagian mekanikmeliputi jarum penunjuk, skala dan mur pengatur jarum penunjuk

Alat ukur analog memiliki komponen putar yang akan bereaksi begitu mendapat sinyallistrik. Cara bereaksi jarum penunjuk ada yang menyimpang dulu baru menunjukkan angkapengukuran. Atau jarum penunjuk bergerak ke angka penunjukan perlahan-lahan tanpa adapenyimpangan. Untuk itu digunakan peredam mekanik berupa pegas yang terpasang pada poros jarum atau bilah sebagai penahan gerakan jarum berupa bilah dalam ruang udara. Pada meter dengan kelas industri baik dari jenis kumparan putar maupunjenis besi putar seperti meter yang dipasang pada panel meter banyak dipakai peredam jenis pegas.

Alat Ukur Digital

Alat ukur digital saat sekarang banyak dipakai dengan berbagai kelebihannya, murah, mudah dioperaikan, dan praktis. Multimeter digital mampu menampilkan beberapa pengukuran untuk arus miliamper, temperatur °C, tegangan milivolt, resistansi ohm, frekuensi Hz, daya listrik mW sampai kapasitansi nF Pada dasarnya data /informasi yang akan diukur bersifat analog. Blok diagram alat ukur digital terdiri komponen sensor, penguat sinyal analog, analog to digital converter, mikroprosesor, alat cetak, dan display digital (Gambar 6.4). Sensor mengubah besaran listrik dan non elektrik menjadi tegangan, karena tegangan masih dalam orde mV perlu diperkuat oleh penguat input.

Sinyal input analog yang sudah diperkuat, dari sinyal analog diubah menjadi sinyal digitaldengan (ADC) analog to digital akan diolah oleh perangkat PC atau mikroprosessor denganprogram tertentu dan hasil pengolahan disimpan dalam sistem memori digital. Informasi digitalditampilkan dalam display atau dihubungkan dicetak dengan mesin cetak.Display digital akan menampilkan angka diskrit dari 0 sampai angka 9 ada tiga jenis,yaitu 7-segmen, 14-segmen dan dot matrik 5 x 7. Sinyal digital terdiri atas 0 dan 1, ketika sinyal 0 tidak bertegangan atau OFF, ketika sinyal 1 bertegangan atau ON.

Pengukuran langsung dan Tak Langsung

Dalam prakteknya, pengukuran besaran listrik untuk keperluan komersial, misalnya mengukur konsumsi energi listrik yang telah digunakan oleh konsumen (kWh-meter atau kVAr-meter) dapat dilakukan dalam dua cara, yaitu pengukuran langsung dan pengukuran tak langsung.

Pengukuran secara langsung diterapkan pada instalasi ketenagalistrikan tegangan rendah berskala kecil. Dalam hal ini alat pengukur yang digunakan langsung dihubungkan dengan beban secara langsung.

Pengukuran secara tak langsung diterapkan pada instalasi ketenaga-listrikan tegangan rendah/menengah berskala besar. Dalam hal ini alat pengukur yang digunakan dihubungkan dengan beban secara tidak langsung melainkan melalui trafo ukur yang terdiri dari trafo arus dan trafo tegangan. Untuk instalasi ketenagalistrikan tegangan rendah berskala besar biasanya hanya menggunakan trafo arus, sedang untuk instalasi ketenagalistrikan tegangan menengah/tinggi menggunakan trafo arus dan trafo tegangan.

Trafo Ukur

Trafo ukur adalah trafo yang didesain khusus untuk keperluan pengukuran listrik. Ada dua jenis trafo ukur, yaitu tarfo arus (CT) dan trafo tegangan (PT). Karena fungsinya hanya sebagai alat bantu dalam pengukuran maka tarfo ukur didesain dengan daya rendah misalnya untuk pemakaian khusus trafo arus 30 VA.

Sesuai SPLN 76-87, trafo arus (CT) harus memiliki arus primer mulai dari 10 A, 12,5 A, 15 A, 20 A, 25 A,30 A, 40 A, 50 A, 60 A, 75 A dan kelipatannya, sedang arus sekunder CT adalah 1A, 2 A dan 5 A. (kebanyakan 5 A).

Sesuai SPLN 77-87, trafo tegangan (PT) harus memiliki tegangan sekunder sebesar 100 V dengan daya sebesar 10, 15, 25, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400 dan 500 VA.

2. Meter Dasar PPMC dan Besi Putar

Pengukuran arus dan tegangan secara analog, menggunaan jarum penunjuk untuk menunjukkan nilai ukurnya. Gerakan dasar dari jarum penunjuk sistem D’arsonval diterapkan pada ampermeter dan voltmeter arus searah dan arus bolakbalik serta multimeter. Dasar pergerakan jarum pada meter D’arsonval seperti motor arus searah magnet permanen, seperti diperlihatkan pada Gambar 6.6.

Fenomena alam menarik yang ditemukan oleh Lorentz adalah jika ada kawat penghantar bearus berada di dalam pengaruh medan magnet seperti diperlihatkan dalam Gambar 6.6A, maka di kedua sisi kawat penghantar yang mendapat pengaruh medan magnet akan mendapat gaya tolak yang arahnya tergantung pada arah arus dan arah fluksi magnet yang mempengaruhinya. Selanjutnya gaya tolakan tersebut disebut gaya Lorentz. Sisi kawat penghantar yang berada pada sisi kutub utara (N) akan mendapat gaya ke atas, sedang kawat penghantar yang berada pada kutub selatan (S) mendapat gaya tolak yang mengarah ke bawah, sehingga kedua gaya tolakan tersebut menimbulkan torsi putar searah jarum jam. Hubungan antara arah listrik pada kawat penghantar, arah fluksi magnet dan arah gaya tolak dikemukakan oleh Flemming. Hubungan tersebut dikenal dengan sebutan huku Tangan Kiri Flemmig seperti diperlihatkan dalam gambar 6.6 B. Jika arah fluksi magnet sesuai dengan arah telunjuk tangan kiri, dan arah arus pada kawat penghantar searah dengan jari tengah, maka arah gaya tolak akan searah dengan ibu jari.

Meter Dasar PPMC

Meter dasar sistem D’Arsonval ini menggunakan magnet permanen dan kumparan putar. Oleh karena itu meter D’Arsonval lazim disebut pula sebagai Permanent Magnet Moving Coil (PMMC). Yang diperlihatkan pada Gambar 5.6. Gerakan jarum sistem D’Arsonval ini membutuhkan daya yang sangat rendah dan arus kecil untuk penyimpangan jarum pada skala penuh.

Persamaan untuk torsi yang menyebabkan jarum bergerak adalah:

T = B x A x I x N

Di mana

T = Torsi

B = Kerapatan fluksi magnet dalam Wb/m2

Idp = Arus di dalam kumparan putar dalam amper

N = Jumlah lilitan kumparan putar

Gambar 6.7 memperlihatkan konstruksi meter dasar kumparan putar (PPMC) yang disederhanakan untuk memudahkan memahami sistem mekanisasi pergerakan jarum meter. Pada poros kumparan putar diberi pegas lembut sedemikian sehingga agar jarum meter dapat kembal ke posisi semula setelah arus yang menyebabkan timbulnya torsi pada kumparan putar tidak ada.

Alat ukur PPMC diterapkan pada ampermeter, voltmeter dan ohmmeter. Alat ukur berbasis kumparan putar merupakan alat ukur presisi dengan ketelitian tinggi. Tingkat ketelitian alat ukur ditentukan oleh spesifikasi meter dasar PPMC.

Karakteristik meter dasar PPMC yang penting yang menentukan kelas ketelitiannyaadalah:

Arus nominal meter dasar yang dinyatakan dalam mikroamper atau miliamper
Resistan dalam meter yang merupakan resistan dari kumparan putar yang dinyatakan dalam ohm.

Berikut ini diberikan suatu contoh kasus sebuah alat ukur PPMC dengan spesifikasi sebagai berikut:

Koil kumparan putar terdiri dari 84 lilitan, dengan panjang = 1,5 cm, dan lebar koil = 1 cm dengan nilai resistan sebesar Rm = 88 ohm.
Kerapatan fluksi magnet (B) = 0,2 Tesla (weber/m2)
Arus nominal yang diijinkan mengalir melalui kumparan putar(Idp)=0,5 mA
Simpangan penuh jarum sebesar 100 derajad.

Analisa:

Dengan ukuran koil yang memiliki panjang 1,5 cm dan lebar 1 cm, maka luas penampang koil (A) adalah 1,5 cm2 atau 1,5 x 10-2 m2.
Dengan kerapatan fluksi sebesar 0,2 weber/m2 dan jumlah lilitan koil kumparan putar (N) = 100 lilitan, dan nilai arus yang mengalir pada koil sebesar 0,5 mA (miliamper) atau 0,5×10-3 amper, maka nilai torsi yang diterima oleh koil kumparan putar (T) menurut formula torsi di atas adalah: (0,2 weber/m2) (1,5×10-2 m2)(0,5×10-3 amper) (100 lilitan) = 1,5×10-4 Nm (newtonmeter)

Jadi jika kumparan putar dialiri arus searah sebesar 0,5 mA, akan menerima torsi sebesar 1,5×10-4 Nm. Torsi sebesar ini yang akan membuat jarum meter melakukan gerakan putar. Karena mekanisasi jarum dibuat sedemikian sehingga pada arus sebesar 0,5 mA, maka jarum akan menyimpang sebesar 100 derajat. Seperti diperlihatkan dalam Gambar 6.8.

Alat Ukur Besi Putar

Alat ukur besi putar (moving iron) memiliki anatomi yang berbeda dengan kumparan putar. Seperti diperlihatkan dalam Gambar 6.10.

Konstruksi alat ukur besi putar terdiri atas enam bagian, yaitu (1) koil, (2) inti besi yang dapat berputar bebas pada poros, (3) poros, (4) jarum penunjuk, (5) skala ukur, dan (6) pegas. Alat ukur besi putar adalah alat ukur besaran listrik yang beroperasi berdasarkan interaksi antara medan magnet listrik yang besarnya proporsional dengan arus yang melewati koil magnetnya dan inti besi (core) yang terbuat dari bahan feromagnetik. Elemen utama alat ukur besi putar adalah:

Measuring circuit, yang mengubah besaran yang akan diukur,
Measuring mechanism, yang terdiri dari sistem besi putar.

Arus listrik yang mengalir ke koil membangkitkan medan magnet yang akan menarik inti besi (core) yang dicekam oleh poros ke dalam koil. Torsi yang bankit pada inti besi proporsional dengan kuadrat arus yang masuk ke koil. Kemudian aksi ini diteruskan oleh poros dan pegas yang membangkitkan torsi lawan yang proporsional dengan sudut rotasi pada poros. Jika torsi dan torsi-lawan berinteraksi maka poros yang dilengkapi dengan jarum penunjuk akan berputar dalam lebar sudut tertentu yang proporsional dengan kuadrat besaran yang diukurnya. Jika torsi dan torsi lawan seimbang maka jarum akan kembali ke posisi semula.

Alat ukur besi putar tipe repulsi diperlihatkan dalam Gambar 6.11. Meter ini terdiri dari dua vane silinder dari besi lunak yang terpasang pada koil magnet. Salah satu inti besi lunak terikat tetap pada rangka koil magnet dan inti besi lunak lainnya bebas berputar pada poros yang dilengkapi dengan jarum penunjuk. Kedua inti besi tersebut berada di dalam medan magnet yang dibangkitkan oleh koil magnet. Koil magnet untuk ampermeter terdiri dari kawat berukuran besar dengan sedikit lilitan.

Koil magnet untuk voltmeter terdiri dari kawat penghantar kecil dengan jumlah lilitan banyak.

Arus yang mengalir pada koil magnet menginduksi kedua tabung vane menjadi magnet dan gaya tolak (repulsi) antara dua magnet vane yang sama menghasilkan gerakan rotasi yang proporsional.Torsi yang dibangkitkan pada poros proporsional dengan kuadrat arus yang mengalir pada koil magnet.

Gambar 6.21 memperlihatkan konstruksi sebuah meter besi putar tipe rupulsi. Ampermeter besi putar memiliki ketelitian rendah, lazimnya digunakan pada amperemeter panel, dan voltmeter panel .

Alat ukur Digital dan Analog

Untuk keperluan pengukuran arus telah tersedia berbagai jenis ampermeter, untuk pengukuran arus searah dan arus bolak-balik, dan untuk keperluan pengukuran presisi dan untuk keperluan panel listrik. Berikut ini diberikan contoh berbagai jenis ampermeter yang tersedia di pasaran untuk berbagai keperluan. Baik yang beroperasi secara analog, yakni menggunakan jarum penunjuk, dan yang beroperasi secara digital.

Gambar 6.13 memperlihatkan ampermeter analog standar dengan ketelitian tinggi, untuk mengukur arus searah dan arus bolak-balik. Ampermeter jenis ini dapat digunakan sebagai kalibrator. Sedang Gambar 6.14 memperlihatkan ampermeter analog sekunder dengan ketelitian rendah, untuk mengukur arus searah dan arus bolak-balik. Ampermeter jenis ini lazim digunakan pada panel listrik.