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 uji satu 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 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
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
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.
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).
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: menggunakan slider resistance control sebagaimana yang diperlihatkan pada gambar 4.3, menggunakan tapped transformer
sebagaimana terlihat pada gambar 4.4, menggunakan induction regulator sebagaimana terlihat pada gambar 4.5.
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 4.4. 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.
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.
Dari gambar 2.24. 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 maka positif, dan rangkaian bersifat induktif.
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 6.12.a, dan 6.12.b. 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:
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.
PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI BOLAK-BALIK
Ketika tegangan percobaan yang dibutuhkan kurang dari 300kV, dapat digunakan transformer tunggal. Impedansi transformer harus kurang dari 5%, dan mampu memberikan arus short circuit selama satu menit atau lebih tergantung desain. Sebagai tambahan bagi lilitan normal, yang dikenal sebagai lilitan tinggi dan rendah, terdapat lilitan ketiga yang disebut lilitan meter, untuk mengukur tegangan output. Untuk tegangan yang lebih tinggi, konstruksi masing-masing untuk menjadi lebih rumit dan mahal sebagai akibat dari masalah isolasi. Terlebih lagi, transportasi dan pemasangan transformer berukuran besar sangat sulit. Kekurangan ini ditutupi oleh penghubung seri atau pembongkaran dari beberapa unit identik transformer, dimana lilitan tegangan tinggi dari semua unit datang secara seri.
1. Cascade Transformer (Pembongkaran Transformer)
Gambar a. Transformator kaskade
Gambar a menunjukkan pemisahan unit transformer dimana transformer pertama terletak pada ground potential bersamaan dengan tanknya. Transformer kedua tersimpan pada isolator dan tetap pada potensial V2, tegangan output dari unit pertama di atas ground. Lilitan tegangan tinggi dari unit pertama dihubungkan ke tank pada unit kedua. Lilitan tegangan rendah unit ini disuplai dari lilitan excitation (pembangkit/pendorong) dari transformer pertama, yang terhubung seri dengan lilitan tegangan tinggi dari transformer pertama pada ujung tegangan tingginya. Nilai dari lilitan excitation hamper serupa dengan dengan lilitan primer pada lilitan tegangan rendah. Hubungan tegangan tinggi dari lilitan transformer pertama dan terminal lilitan excitation diperoleh melalui bushing ke transformer kedua. Transformer ketiga terdapat pada isolator di atas ground pada potensial 2V2, dan disuplai oleh transformer kedua. Jumlah tingkatan pada susunan ini
biasanya 2 sampai 4, tapi terkadang, digunakan 3 tingkatan untuk operasi 3 fasa jadi dapat diperoleh nilai √3V2 antara masing-masing line.
Suplai untuk unit dapat diperoleh dari motor-generator atau melalui induksi regulator untuk tegangan output yang bervariasi. Nilai dari lilitan primer atau tegangan rendah biasanya 230 sampai 400 V untuk unit kecil sampai dengan 100kV A. Untuk output yang lebih besar, nilai dari lilitan tegangan rendah bias 3,3 kV, 6,6 kV, atau 11 kV.
Isolating transformer Is1, Is2, dan Is3 merupakan transformer insulated dengan ratio 1:1 terhadap tank potensialnya, dan ditujukan sebagai suplai bagi excitation untuk tingkat kedua dan ketiga pada tank potensialnya, Power supply ke isolating transformer juga berasal dari input ac yang sama.
Kerugian :
mahal dan memakan tempat. Keuntungan:
pendinginan alami yang cukup
transformer ringan dan padat
transportasi dan penyusunan kembali gampang
konstruksinya serupa dengan isolating transformer dan unit cascade tegangan tinggi
koneksi 3 fasa dalam delta atau bintang bagi 3 unit memungkinkan
rating di sampai pada 10 MVA pada koneksi cascade memberikan tegangan tinggi sampai 2.25 MV baik dalam ruangan maupun di luar ruangan.
Pengujian peralatan atau isolator tegangan tinggi selalu melibatkan penyediaan beban kapasitif dengan power disipasi yang rendah. Jika C adalah kapasitansi, V adalah nilai rms dari tegangan output nominal transformer pada frekuensi angular w, maka nilai nominal transformer dalam kVA menjadi P = K.V2 wC, dimana K (>1.0) merupakan factor untuk menghitung kapasitansi ekstra dalam rangkaian uji, seperti mengukur kapasitansi divider, dll. K memiliki banyak nilai dalam order 2 atau lebih unutk tegangan sangat tinggi (>1MV).
Arus charging untuk peralatan uji berkisar antara 10mA pada 100kV sampai beberapa miliampere pada megavolt. Transformer seperti ini memiliki rating waktu pendek (10-15 menit) untuk rating daya tinggi, jika dibandingkan dengan rating daya nominal.
Transformator uji besar lebih dari 1 MVA pada 1 MV akhir-akhir ini didesain untuk penggunaan luar ruangan saja. Desainnya seperti disebutkan pada pola kedua dan memastikan unit dilengkapi dengan cincin logam ukuran besar untuk menghindari korona, dan dihentikan dengan elektroda near spherical polycone. Transformer uji modern diciptakan untuk menahan transient selama flashover pada objek uji.
Transformer cascade merupakan peralatan yang sangat mahal dan sulit diperbaiki. Sehingga arus short circuit tinggi harus dibatasi dengan menggunakan limiting reactor pada input stage.
Power Supply untuk a.c Rangkaian Uji
Unit Transformer cascade besar mendapat pasokan daya dari motor-generator terpisah atau regulator tegangan. Supply menggunakan regulator tegangan akan lebih murah, dan lebih flexible jika unit cascade dapat beroperasi dalam keadaan terpisah, atau parallel, atau dalam unit 3 fasa. Impedansi pada transformer regulating tegangan juga harus rendah pada semua posisi tegangan.
2. Resonant Transformer
Rangkaian ekivalen dari transformer uji tegangan tinggi mengandung kebocoran reaktansi pada lilitan, resistansi lilitan, reaktansi magnetis, dan kapasitansi shunt melewati terminal output diakibatkan oleh bushing oleh terminal tegangan tinggi.
Resonansi seri mungkin terjadi pada frekuensi daya w, jika (L1 + L2) = 1/wC. Dengan kondisi ini, arus pada objek sangat besar dan hanya dibatasi oleh resistansi pada rangkaian. Bentuk gelombang tegangan yang melewati objek berupa sinusoidal. Besar tegangan melewati kapasitansi C yaitu :
Faktor XC/R = 1/wCR merupakan factor Q dari rangkaian dan memberikan nilai dari multiplication tegangan ang melewati objek pada kondisi resonansi. Tegangan input yang
dibutuhkan untuk extitation dikurangi dengna factor 1/Q, dan output kVA yang dibutuhkan juga dikurangi dengan factor 1/Q. factor daya sekunder dari rangkaian adalah satu.
Prinsip ini digunakan pada pengujian tegangan sangat tinggi dan kasus yang membutuhkan arus output besar seperti pengujian kabel, pengukuran dielectric loss, pengukuran partial discharge, dll. Transformer dengan rating tegangan 50-100 kV dan rating arus besar dihubungkan dengan cok tambahan. Kondisi uji diatur w(Le + L) = 1/wC, dimana Le merupakan total kebocoran reaktansi ekivalen transformer, termasuk regulating transformer.
Keuntungan dari prinsip ini :
outputnya berupa gelombang sinus murni
daya yang dibutuhkan rendah (5 -10 % dari total kVa yang dibutuhkan)
tidak ada high-power arcing (pancaran bunga api) dan sentakan arus berat yang terjadi jika gagal, karena resonansi berhenti jika pengujian gagal.
cascading (pemisahan) juga dapat dilakukan pada tegangan sangat tinggi
penyusunan test yang simple dan padat
tidak ada pengulangan flashover terjadi jika gagal sebagian pada test objek dan pemulihan isolasi.
Kerugian :
dibutuhkan cok variable tambahan yang sanggup menahan tegangan penuh dan arus penuh.
3. Pembangkitan Frekensi Tinggi a.c tegangan tinggi
Frekuensi tinggi tegangan tinggi dibutuhkan untuk rectifier supply daya d.c. dan menggunakan transformator frekuensi tinggi. Keuntungan transformator frekuensi tinggi:
tidak diperlukan inti besi pada transformer sehingga menghemat biaya dan ukuran output gelombang sinus murni
peningkatan tegangan lambat melalui beberapa siklus sehingga tidak ada kerusakan karena pergantian gelombang (sentakan)
distribusi seragam tergangan melewati lilitan koil karena pembagian koil stack menjadi sejumlah unit.
Transformer resonansi frekuensi tinggi yang umum digunakan adalah Tesla coil, yang rangkaiannya doubly tuned resonant. Rating tegangan utama adalah 10kV dan sekunder 500-1000kV. Primer didapat dari sumber ac atau dc melalui condenser C1.
