1 BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang
Pengukuran tegangan tinggi berbeda dengan pengukuran tegangan rendah, sehingga perlu penjelasan khusus mengenai pengukuran ini. Ada tiga jenis tegan gantinggi yang akan diukur dalam pengujian tegangantinggi, yaitu tegangan tinggi bolak-balik, tegangan tinggisearah, dan tegangan tingg iimpuls. 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, teknikisolasi, tegangan lebih pada system 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-sifatl istrikdielektrik yang baru ditemukan, sebagai usaha dalam menemukan bahan isolasi yang lebih murah.
2. Untuk verifikas ihasil rancangan isolas ibaru, yaitu hasil rancangan yang telah dikurangi volume isolasinya.
3. Untuk memeriksa kualitas peralatan sebelum terpasang, halini dilakukan untuk menghindarkan kerugian bagi pemakaiperalatan.
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
2
tinggi. Studi ini akan mempelajari carakerja dankarakteristik peralatan-peralatan uji tegangan tinggi dan prosedur pengujian yang telah distandarisasi. Adapun peralatan-peralatan yang dibutuhkan untuk pengujian tegan gantinggi adalah:
1. Pembangkittegangantinggi yang terdiriatas: pembangkittegangantinggi ac, pembangkit tegangan tinggi dc, dan pembangkit tegangan tinggi impuls.
2. Alat ukur tegan gantinggi yang terdir iatas alat ukur tegangan tinggi dc, alat ukur tegangan tinggi ac, dan alat ukur tegangan tinggi impuls.
2. Alat pengukur sifat listrik dielektrik, antara lain alat ukur rugi-rugi dielektrik, alat ukurt ahanan isolasi, alat ukur konduktivitas, dan alat uku rpelua han parsial.
3 BAB II PEMBAHASAN
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. BentukV(t) untuk tegangan tinggi bolak-balik sering menyimpang dari bentuk sinus. Dalam teknik tegangan tinggi, nilaipuncak Vˆ dan nilai efektif V ef memiliki arti yang sanga tpenting :
Vrms = ∫ (t) dt
Untuk pengujian tegangan tinggi besaran √ didefinisikan sebagai tegangan uji. Di sini diandaikan bahwa penyimpangan bentuk tegangan tinggi dari bentuk sinus masih dalambatas yang diijinkan. Untuk sinusoidal murni √ = Vrms
2.1. PROSES PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI AC
Bentuk tegangan tinggi yang dibangkitkan dapat berupa: Tegangan AC, DC (konstan) atau Impuls. Tegangan AC dan DC digunakan untuk transmisi daya listrik, juga dipakai untuk tujuan pengujian. Sedangkan tegangan tinggi Impuls dibutuhkan untuk investigasi renspons isolasi pada system transmisi (termasuk peralatan) terhadap gangguan transien akibat Surja hubung dan surja petir.
Pembangkitan tegangan tinggi AC dapat dilakukan dengan menggunakan Generator sinkron (motor-driven synchronous generator), namun kebanyakan menggunakan trafo ujisatu phasa yang disupply oleh tegangan distribusi (110 V atau 240 V, 50/60 Hz). Untuk keperluan pengujian tegangan tinggi, dituntut tegangan yang naik secara perlahan-lahan (smooth and gradually). Untuk itu
4
tegangan input distribusi yang merupakan fixed mains Voltage terhubung dengan variable-voltage transformer yang berfungsi sebagai pengatur tegangan pada sisi primer trafo uji tegangan tinggi
2.1.1. Single step up Transformers
Rangkaian listrik dasar dari pada pembangkitan tegangan tinggi (test-set) untuk menghasilkan tegangan tinggi AC frekwensi daya hingga 200 kV diperlihatkan pada gambar 1.
Tegangan input (main supply) sebelum disupply ke kumparan primer trafo uji, terlebih dahulu melalui variable transformer (yaitu: variable voltage toroidal auto-transformer, variac), rating dari Test-set commercial berupa tegangan out put dalam kV dan daya dalam kVA. Adapun konstruksi dari test-set dibagi kedalam 2 katagori, yaitu:
(1). Portable unit, dengan tegangan out put hingga 50 kV dan rating daya 1-2 kVA
(2). Large fixed unit, dapat beroperasi hingga 200 kV, rating daya output nya besar dan ditentukan oleh factor-faktor fisik dan berat, yang dapat mecapai 100 kVA
5
Jika terjadi flash over, atau breakdown internal pada obyek uji, maka sudah barang tentu transformer sebagaimana gambar 1. akan mengalami kondisi over load dan short circuit. Konsekwensinya, isolasi dari trafo uji harus didesign tahan terhadap tegangan tinggi surja yang menyebabkan kegagalan pada obyek uji.
2.1.2. Kaskade Transformer
Hubungan kaskade trafo uji umumnya dipakai untuk mendapat tegangan yang lebih tinggi yang melebihi beberapa ratus kV. Pada gambar 2. Diperlihatkan kaskade 2 buah transformer dengan spesifikasi tegangan 240V/200kV. Tangki dan inti pada Transformer T1 ditanahkan, main voltage berasal dari variable-voltage
transformer, Ujung terminal sekunder T1 (d1) juga ditanahkan, sedangkan terminal
outputnya yang berasal dari c1 dan e1 dihubungkan ke primer T2 (a2b2). Dari
bentuk kaskade 2 buah trafo, maka akan dihasilkan tegangan output sebesar 400 kV terhadap tanah (c2d1).
2.1.3. Kontrol tegangan pada trafo uji
Semua bentuk pengujian, merekomendasikan agar tegangan uji yang diberikan bergerak naik secara gradual dan smooth dari nilai 0 hingga pada level tegangan uji. Keadaan ini dapat dilakukan dalam beberapa cara. Yaitu:
6
menggunakan slider resistance control sebagaimana yang diperlihatkan pada gambar 3, menggunakan tapped transformer sebagaimana terlihat pada gambar 4, menggunakan induction regulator sebagaimana terlihat pada gambar 5.
Untuk trafo uji yang kecil dengan output daya dibawah 5 kVA, control resistance mempunyai keuntungan, selain murah, mudah, distorsi bentuk gelombang tegangannya pun kecil. Sedangkan untuk unit dengan kVA yang besar, Large size dan cost of resistance bersama-sama dengan rugi-rugi daya merupakan hal yang tidak menguntungkan.
Gambar 4. Menggambarkan metode control output tegangan tinggi yang akurat. Primer dari trafo uji dihubungkan dengan tap-tap yang yang tedapat pada sisi sekunder trafo regulasi. Untuk menghindari surja pada output tegangan tinggi berkenaan dengan terbukanya sisi sekunder pada trafo regulasi akibat perpindahan tap, digunakan two contact brushes, brushes berhubungan dengan adjacent studs dan buffer resistance, atau reactance coil, Keadaan yang demikian ini mencegah terjadinya short circuit pada bagian kumparan transformer. Keuntungan dari metode ini, selain efisiensinya tinggi, distorsi bentuk gelombangnya kecil, namun regulasinya tidak smooth kecuali jika menggunakan jumlah tap yang banyak. Untuk trafo uji pada heavy duty, regulator induksi dapat digunakan untuk mengontrol input tegangan pada trafo uji, sebagaimana diperlihatkan pada gambar 5.
7
2.2. MENENTUKAN KAPASITAS TRANSFORMATOR PENGUJI
Sebagai sumber tegangan tinggi arus bolak-balik biasanya menggunakan sebuah transformator satu fasa. Hal ini disebabkan karena pengujian biasanya dilakukan untuk setiap fasa, dan setiap kali yang diuji hanyalah satu fasa. Cara ini akan memudahkan pengukuran dan pengamatan hasil pengukuran. Bentuk rangkaian belitan dari transformator tenaga satu fasa adalah sebagai berikut: Belitan tegangan rendah adalah belitan untuk tegangan lebih kecil atau sama dengan tegangan 1 KV, sedangkan belitan tegangan tingginya mempunyai
Gmbr 3
Gmbr 4
8
tegangan mulai dari 80 KV sampai 400 KV bahkan sudah mencapai 800 KV. Teras (Inti) besinya diusahakan mempunyai tegangan sama dengan tegangan bumi, karena itu selalu disambung ke bumi bersama-sama dengan salah satu terminal dari kedua belitan (lihat gambar di bawah ini).
Kadang-kadang terdapat beberapa terminal pada belitan tegangan rendah yaitu, agar dapat disambungkan dengan beberapa macam tegangan. Ini dibuat sedemikian rupa sehingga fluks medan magnet yang mengalir tidak sampai jauh sehingga tidak mengubah bentuk dari gelombang bolak-balik yang terdapat pada belitan tersebut. (Diusahakan bentuk gelombang adalah sinus murni). Untuk menghilangkan penggunaan bushing, maka tangki transformator dibuat dari bahan isolasi yang berbentuk silinder. Tabung ini diisi dengan minyak transformator yang bermutu tinggi. Bentuk reka semacam ini mempunyai banyak keuntungan karena di samping tidak perlu menggunakan bushing, bentuknya juga ramping (menghemat
ruangan). Untuk pembangkitan yang lebih tinggi dari 200 KV, bentuk transformator ini dapat dipasang bersusun dan belitan dapat disambung satu sama lain. Susunan semacam ini dinamakan susunan cascade. Bila tegangan tinggi dari masing-masing transformator adalah 100 KV maka susunan ini dapat menghasilkan tegangan 2 x 100 KV = 200 KV.
9
Dalam hal ini impedansi hubungan singkat untuk setiap belitan pada masing-masing transformator aadalah Xa Xq Xt dimana:
Xa= impedansi belitan eksitasi
Xq= belitan gandengan (coupling)
Xt= impedansi belitan tegangan tinggi
Bila tahanan dan kerugian untuk setiap belitan diabaikan maka sebagai pedekatannya transformator disusun secara cascade sehingga impedansi dari susunan ini menjadi berikut:
Secara praktis untuk menentukan kapasitas dari masung-masing transformator praktis adalah seperti berikut, anggap semua kerugian didalam transformator diabaikan. Untuk transformator tingkat (1) berlaku:
10
Nc 1c = Nt It + Ng Ig (ampere lilit)
Dimana:
Nc = jumlah lilitan eksitasi;
Nt = jumlah lilitan tegangan tinggi;
Ng = julmlah lilitan gandeng.
Pada transformator berlaku:
Dengan clemikianbahwa daya yang diperlukan transformator tingkat pertama dalam susunan 2 transformator secara cqscade diperlukan daya sebesar 2 kali dari daya transformator pada tingkat kedua. Jadi perbandingan antara T1/T2 = 2/1. Bila dalam susunan cascade'terdapat 3 buah transformator maka perbandingan daya pada tingka t 1:2 : 3 adalah 3s : 2s : 1s.
11
Rangakaian sederhana untuk transformator penguji
2.2.1. Syarat dari sumber tegangan
Sumber tegangan yang dipakai untuk men-supply transforrnator tegangan tinggi diperlukan persyaratan :
1. Mempunyai tegangan vang stabil tanpa ada fluktuasi tegangan bila dibebani. 2. Tidak ada gelombang harmonik akibat beban serni konduktor, sebaiknya berbentuk sinus murni.
3. Energi lebih baik berasal dari transformator yang kapasitasnya besar guna meminimumkan efek dari beban pada transformator tersebut'
2.2.2. Menentukan kapasitas transformator penguji
Isolator, isolator pasak C = beberapa p f
Bushing C = 150 s/d 400 p f
Transformator arus C = 200 s/d 600 p f
Transformator distribusi <= 1000 KVA C = 1000 p f s/d 10000 p f
Transformator distribusi > 1000 KVA C = s/d 30000 p f
Berdasarkan gambar ini maka kapasitas transformator penguji dapat dihitung dari persamaan berikut:
12 Dimana:
P = daya dalam KVA w = 2 ( 3.14 ) f
V = tegangan pengujian pada transformator penguji dalam KV Cb = kapasitas seluruh beban (p f)
Untuk menentukan kapasitas dari beban Co termasuk di dalamnya kapasitas dari transformator penguji, kebocoran kapasitansi dari rangkaian penguji dan pelindung terminal dari masing-masing alat harus diuji. Untuk pengujian dalam keadaan basah nilai yang diperoleh di atas masih harus ditambah beberapa persen lagi untuk mengatasi kebocoran arus yang disebabkan oleh tahanan yang sangat besar. Kelakuan dari transformator penguji tidak cukup dengan menganggapnya seperti transformator biasa. Ini disebabkan karena perbandingan jumlah lilitan tegangan rendah dan lilitan tegangan tingginya besar, sehingga kapasitansi lilitan tegangan tinggi C, sudah cukup besar. Di samping itu kapasitansi dari rangkaian yang terdapat di luar transformator semuanya harus ditambahkan pada niiai C, di atas. Pengaruh eksitasi medan magnet pada inti transformator adalah kecil, karena ia
tidak pernah mencapai titik kejenuhan, karena itu niiai ini dapat diabaikan.
Bilamana kapasitansi dari rangkaian luar dan beban adalah C" maka seluruh kapasitas menjadi C = C, + C.. Diagram Pengganti dari transformator penguji secara
13
Bilamana nilai Ro < o> Lo maka nilai dari V. menjadi:
Karena nilai 1 - o 2LC selalu lebih kecil dari L (satu) maka nilai V2, lebih besar
dari V1. Ini
berarti rangkaian transformator ini mendekati keadaan resonansi seri.
2.3. RANGKAIAN RESONANSI SERI
Rumus-rumus bagi impedansi yang mengandung L atau C menunjukkan, bahwa modulus maupun sudut fasa suatu impedansi merupakan fungsi dari frekwensi sudut . Misalnya untuk impedansi rangkaian seri R dan L, terlihat bahwa impedansi (Modulus) makin besar dengan bertambahnya frekwensi, sedangkan fasanya makin mendekati 90o. Olehkarena itu rangkaian semacam ini makin sukar melalukan arus dengan frekwensi yang tinggi.
Sebaliknya impedansi rangkaian seri R dan C, terlihat bahwa impedansi (Modulus) makin kecil dengan bertambahnya frekwensi dan sudut fasanya semakin mendekati -90o . Dengan demikian rangkaian semacam ini makin mudah melalukan arus dengan frekwensi yang tinggi .
Untuk itu rangkaian yang mengandung R, L dan C, dapat diharapkan impedansinya tidak naik terus atau turun terus bila dinaikkan seperti pada kedua contoh diatas, melainkan menurut fungsi yang mungkin mengandung sejumlah maxima dan minima.
14
Dari gambar diatas dapat dibentuk persamaannya sebagai berikut:
) R C 1 L ( tg arc ) C 1 L ( R Z ) C 1 L ( j R L j R Z 2 2 C j 1
Dari persamaan diatas, terlihat bahwa baik frekwensi-frekwensi yang sangat tinggi maupun rendah, Z menjadi sangat besar. Namun demikian bila
C 1 L = 0, maka = 0 dan Z = R. Keadaan ini merupakan harga minimum bagi Z. Sedangkan harga frekwensi sudut untuk keadaan ini adalah:
LC 2 1 f LC 1 f 2 LC 1 C 1 L
Keadaan ini disebut sebagai keadaan resonansi, yaitu keadaan dimana diperoleh arus yang maximum (karena Z minimum), dan frekwensi bergantung pada nilai L atau C. Bila C 1 L
maka negative, dan rangkaian bersifat kapasitif. Sebaliknya bila C 1 L
15
2.3.1. Rangkaian resonansi seri pada pembangkitan tegangan tinggi
Gambar dibawah adalah diagram sederhana dari rangkaian resonansi seri. Objek uji berupa kabel yang dapat direpresentasikan sebagai sebuah kapasitansi dan terhubung seri dengan moving coil reactor yang direpresentasikan sebagai induktansi, yang dapat diubah-ubah untuk mengimbangi impedansi beban kapasitif pada frekwensi daya. Rangkaian resonansi seri yang terbentuk akan membangkitkan tegangan tinggi ketika dieksitasi oleh regulator tegangan dari main supply.
Atau dalam bentuk rangkaian eqivalen, digambarkan sebagai berikut:
Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa rangkaiannya membentuk resonansi seri pada freqwensi daya , Jika (L1+L2)=1/C, maka arus pada obyek uji menjadi sangat besar dan hanya dibatasi oleh resistansi rangkaian. Bentuk gelombang tegangan pada obyek uji merupakan sinusoidal murni. Adapun besar tegangan yang melalui capasitasi C pada obyek uji dirumuskan sbb:
16 CR V X R V ) X X ( J R jVX V C C L C C
Faktor XC/R=1/CR merupakan factor Q pada rangkaian dan memberikan
kenaikan tegangan pada object uji pada kondisi resonansi. Olehkarena itu tegangan input yang dibutuhkan untuk exitasi diturunkan sebesar factor 1/Q dan output kVA juga diturunkan sebesar factor 1/Q. Faktor daya rangkaian pada sisi sekunder adalah satu.
Prinsip yang ada pada resonansi seri dipakai untuk pengujian tegangan yang sangat tinggi dan pada keadaan yang membutuhkan output arus yang besar seperti pada pengujian kabel, pengukuran dielectric loss, pengukuran partial discharge.
Keuntungan menggunakan cara resonansi seri adalah :
1. Gelombang output dapat dipertahankan dalam bentuk sinus murni.
2.Dayayangdiperlukanuntukpengujiansangatkecil,antara5% s/d10% dari daya yang diperlukan.
3. Tidak terjadi arka atau arus surja yang besar bila alat yang diuji mengalami kegagalan.
4. Untuk mendapat tegangan yang tinggi dapat disusun secara cascade. 5. Susunannya sederhana dan kokoh.
2.4. SUMBER TEGANGAN TINGGI ARUS BOLAK BALIK FREKUENSI TINGGI
Sumber tegangan tinggi dengan frekuensi diperlukan untuk menguji adanya ketidakrataan bahan yang terdapat pada isolator, terutama isolator yang terbuat dari porselin. Hal ini karena kerugian dielektrik akan menunjukkan nilai yang berbeda bila diuji dengan tegangan ini. Karena adanya efek kulit (skin effect) maka bunga api yang terjadi pada masa pengujian akan merambat melalui kulit isolator, bila dalam keadaan baik. Tetapi bila ada kerusakan atau cacat, maka sebagian dari api akan menembus bagian yang cacat dari isolator tersebut. Adapun keuntungan menggunakan transformator ini adalah:
17 bentuknya lebihkecil.
2. Outltut gelombangnya adalah sinus murni.
3. Tegangan naik secara perlahan dan pada pengujian dengan surja hubung tidak akan merusak.
4. Tegangan didistribusikan merata pada belitan karena belitan dibagi menjadi beberapa unit yang disusun bertumpuk. Belitan ini dinamakan belitan TESLA di mana rangkaian ini dalam keadaan resonansi berganda.
18 BAB III KESIMPULAN
1. Rumus untuk menghitung Vrms : Vrms = ∫ (t) dt
2. Bentuk tegangan tinggi yang dibangkitkan dapat berupa: Tegangan AC, DC (konstan) atau Impuls. Tegangan AC dan DC digunakan untuk transmisi daya listrik, juga dipakai untuk tujuan pengujian. Sedangkan tegangan tinggi Impuls dibutuhkan untuk investigasi renspons isolasi pada system transmisi (termasuk peralatan) terhadap gangguan transien akibat Surja hubung dan surja petir. 3. Hubungan kaskade trafo uji umumnya dipakai untuk mendapat tegangan yang
lebih tinggi yang melebihi beberapa ratus kV.
4. Control tegangan trafo uji dapat dilakukan dengan 3 cara, yaitu : slider resistance control, tapped transformer, induction regulator.
5. Sumber tegangan yang dipakai untuk men-supply transforrnator tegangan tinggi diperlukan persyaratan :
a. Mempunyai tegangan vang stabil tanpa ada fluktuasi tegangan bila dibebani. b. Tidak ada gelombang harmonik akibat beban serni konduktor, sebaiknya
berbentuk sinus murni.
c. Energi lebih baik berasal dari transformator yang kapasitasnya besar guna meminimumkan efek dari beban pada transformator tersebut'
19
DAFTAR PUSTAKA
1. Abduh, Syamsir, “Teknik Tegangan Tinggi”, Salemba Teknika, Jakarta, 2001
