Pembangkitan Tegangan Tinggi
1. Pembangkitan Tegangan Tinggi ACTegangan tinggi ac yang dibahas pada bab ini adalah tegangan tinggi ac yang dibangkitkan untuk pengujian sistern isolasi peralatan-peralatan tegangan tinggi bukan untuk penyaluran energi listrik. Secara umum tegangan tinggi ac ini dibangkitkan dengan sebuah trafo uji khususnya satu fasa. Disamping menggunakan trafo uji, pembangkitan tegangan tinggi ini dapat pula dilakukan dengan rangkaian resonansi. Standar internasional mensyaratkan tegangan tinggi ac v(t) ini mempunyai bentuk sinus yang baik, pangaturan peningkatan tegangan yang cukup halus. Nilai puncak tegangan v tidak boleh bervariasi Iebih dari ±5% nilai tegangan efektif %yy dikali r/7. Nitai tegangan efektif ini didefinisikan sebagai:
akan tetapi tinggi tegangan uji ditandai dengan V
√
2 , karena kuat gagal kebanyakan bahan isolasi tergantung dari nilai sesaat V.Peralatan yang dipergunakan pada jaringan tegangan tinggi umumnya diuji dengan tegangan 2 sampai 5 kali lipat tergantung dari tegangan operasi untuk mengetahui faktor keamanan, proses penuaan, dan memperkirakan umur peralatan jika dipergunakan pada tegangan operasinya.1.1. Trafo Uji Tegangan Tinggi
Trafo uji tegangan tinggi merupakan trafo satu fasa. Rating trafo uji disesuaikan dengan benda uji yang umumnya bersifat kapasitif. Jika Ct adalah kapasitansi benda uji dan Vn adalah tegangan rms (root mean square) nominal suplai tegangan uji, maka rating nominal Pn, untuk perancangan dapat dihitung dengan persamaan berikut:
k adalah faktor dimensi. Kapasitansi benda uji sangat bervariasi, sehingga faktor k harus mempunyai toleransi tertentu yang mungkin menyebabkan kelebihan rancang (over dimension) trafo. Niiai tipikal Ct untuk beberapa peralatan tegangan tinggi adalah sebagai berikut:
1) Isolator gantung dan tumpang beberapa 10pF 2) Bushing berkisar -100 s.d. 1000pF
3) Trafo tegangan berkisar -200 s.d. 500pF 4) Trafo daya:
a. <1000kVA - 1000pF
b. >1000kVA - 1000 s.d.10000pF 5) Kabel Tegangan Tinggi
a. Impregnasi Minyak-kertas - 250 s.d. 300pp b. berisolasi gas - 60pF
6) Metal Clad substation, berisolasi SF6 - 1000 s.d.10000pF
Penentuan faktor k juga harus memperhitungkan kapasitansi tambahan dari seluruh rangkaian uji dan beberapa faktor keamanan, seperti tambahan kapasitansi yang berasal dari elektrode tegangan tinggi, konduktor antara benda uji dan sumber tegangan dan lain-lain. Secara praktis nilai k tidak lebih dari 2.
Kita dapat menghitung arus nominal dari persamaan (2.2) untuk tegangan uji berbeda, Ci berbeda dan faktor keamanan k. Dari estimasi ini, nilai arus berada pada kisaran beberapa 10 mA untuk tegangan uji 100kV sampai beberapa ampere untuk tegangan uji MV. Meskipun arus ini tidak terlalu tinggi dan nominai daya cukup beasr. peralatan uji harus tetap sekecil mungkin karena keterbatasan ruang dan harga peralatan uji tegangan tinggi yang sangat mahal.
Trafo uji sangat jarang beroperasi dalam waktu panjang, secara umum panas lebih belitan tegangan rendah disebabkan oleh beban. Sementara belitan tcgangan tinggi dibuat dengan dimensi berlebih karena alas an mekanis dan sangat jarang mengalami panas berlebih. Meskipun demikian, konstanta waktu panas lebih yang cukup besar menyebabkan trafo uji dapat dibebani berlebih dalam jangka waktu pendek. Meskipun trafo uji tahan terhadap arus lebih akibat hubung singkat sesaat, trafo uji secara umum dilengkapi dengan
peralatan pengaman arus lebih.
Hubung singkat pada sisi sekunder tidak menyebabkan kerusakan mekanis pada belitan karena gaya magnetyang timbul akibat arus hubung singkat sangat kecil.
1.2. Konstruksi trafo uji tegangan tinggi
Trafo uji tegangan tinggi secara umum tidak mengalami masalah dengan pendinginan karena umumnya dioperasikan dalam waktu singkat dan efek gaya magnetik dapat diabaikan. Oleh sebab itu konstruksi trafo uji tegangan tinggi sangat ditentukan oleh isolasi belitan. Seperti yang teiah disebutkan sebelumnya trafo uji tegangan tinggi adalah trafo satu fasa dengan frekuensi sesuai dengan frekuensi benda uji (60 atau 50 Hz). Terkadang dipergunakan
untuk frekuensi tinggi pada tegangan rating. Untuk pengujian trafo, dipergunakan frekuensi rendah untuk menghindari saturasi inti besi. Dengan pertilbangan kesulitan isolasi dan pertimbangan ekonomi, belitan tegangan tinggi umumnya dapat dilsolasi sampai derrgu., beberapa 100 kV. Sehingga untuk tegangan yang lebih tinggi dipergunakan rangkaian trafo bertingkat (cascade).
1.3. Rangkaian satu tingkat
Pada rangkaian satu tingkat, trafo memiiiki fluks utama bersama yang artinya hanya terdiri dari sebuah inti besi. Pada Gambar.2.l terlihat trafo memiliki belitan transfer (4) yang memiliki jumlah belitan yang sama dengan belitan primer (2). inti besi (1) diketenahkan, belitan primer diletakkan antara inti dan belitan sekunder (3). Belitan transfer terletak pada potensial sekunder yang tidak diperlukan jika trafo uji dioperasikan pada rangkaian satu tingkat tetapi akan dipergunakan pada rangkaian bertingkat. Gambar.2.2(a) dan 2.2(b) menunjukkan dua jenis konstruksi trafo uji tegangan tinggi. Salah satu dari
Gambar Rangkaian pengganti trafo uji satu tingkat.
(1). Inti besi; (2) Belitan primer; (3) Belitan sekunder; (4)
Belitan transfer
konstruksi itu menggunakan bushing yang
berarti mempunyai permukaan lebih luas dan ini
mengakibatkan disipasi panas yang lebih baik, tetapi dengan tambahan bushing tersebut diperlukan ruang yang lebih tinggi yang secara ekonomis akan lebih mahal. Pada konstruksi yang lain bushing tidak dipergunakan sehingga membutuhkan ruangan tidak terlaiu tinggi akan tetapi disipasi panasnya kurang baik karena terisolasi mantel. Konstruksi tanpa bushing ini umumnya dipcrgunakan untuk rangkaian bertingkat' Untuk daya yang besar dimungkinkan menggunakan pendingin seperti sirip pendingin.
1.4. Rangkaian bertingkat
Rangkaian bertingkat dipergunakan untuk trafo dengan tegangan luaran ≥800 kV,karena kesulitan system isolasi yang tidak lagi , karena kesulitan sistem sesuai secara ekonomi, rangkaian bertligkl,t bahkan sudah dipergunakan pada tegangan yang lebih rendah yakni pada kisaran 300-500 kv. Keunturgun tri' dari rangkaian bertingkat adalah berat keseluruhan
peralatan uji akan terbagi dalam unit-unit turiggal. Hal ini memudahkan, dalam transportasi dan perangkaian unit-unit pengujian.
Prinsip rangkaian bertingkat dapat dilihat pada Gambar.2.6. Pada rangkaian bertingkat terlihat kegunaan
Gambar prinsip rangkaian trafo uji bertingkat
dari belitan transfer yakni sebagai belitan eksitasi untuk tingkat berikutnya. suplai tegangan rendahdihubungkan dengan belitan primer " 1" trafo uji I yang menghasilkan tegangan luaran V, seperti dua trafo Iainnya. Belitan transfer "3" menyuplai primer unit rafo uji II. Belitan sekunder "2" kedua unit terhubung seri, sehingga menghasilkan tegangan 2V. Proses unit III sama dengan unit II
Kekurangan dari trafo uji bertingkat adalah pembebanan yang berat pada belitan primer tingkatan terbawah. Pada Gambar. 2.6 beban ditandai dengan P yang merupakan perkalian tegangan dan arus untuk setiap belitan. Untuk trafo uji tiga tingkat, kVA luaran adalah 3P sehingga setiap belitan "2" membawa arus I=P/V. Jadi hanya belitan primer trafo III yang terbebani dengan P, tetapi daya ini diambil dari belitan transfer trafo II. Oleh sebab itu primer tingkat II terbebani 2P. Artinya total daya 3P harus disediakan oleh primer trafo I, sehingga diperlukan dimensi yang tepat untuk belitan primer dan belitan transfer.
1.5. Rangkaian Resonansi Seri
Pada pengujian peralatan tegangan tinggi dengan kapasitansi yang besar memerlukan trafo uji dengan daya nominal yang besar (beberapa puluh MVA). Tiafo uji semacam itu sangat mahal, sehingga secara ekonomi sangat menguntungkan jika tegangan tinggi uji ac dibangkitkan dengan rangkaian resonansi. Rangkaian resonansi sebagai pembangkit tegangan ini dibangun pada beberapa tahun terakhir atau kemunculannya sangat terlambat dibanding dengan teori pembuatannya. Hal ini disebabkan karena rangkaian ini harus mempunvai
regulator induktansi yang halus tanpa tingkatan agar mampu memenuhi syarat resonansi untuk berbagai kapasitansi beban. Akan tetapi secara teknis, merealisasikan reaktor tegangan tinggi dengan menggunakan induktansi variabel sangat sulit. Secara sederhana rangkaian resonansi seri untuk membangkitkan tegangan tinggi ac dapat dilihat pada Gambar 2.9
Gambar Rangkaian resonansi seri untuk pembangkitan tegangan tinggi ac
1.6. Rangkaian Resonansi Paralel
Berbeda dengan rangkaian resonansi seri, disini diperlukan sebuah transformator tegangan tinggi sebagai sumber tegangan. tansformator harus mampu mengatasi kerugian rangkaian resonansi paralel. Rangkaian ini dapat juga dilihat sebagai rangkaian kompensasi. Secara sederhana rangkaian resonansi seri untuk membangkitkan tegangan tinggi ac dapat dilihat pada Gambar 2.10
Gambar 2.10: Rangkaian resonansi paralel untuk pembangkitan tegangan tinggi ac Pada rangkaian ini tidak harus berada pada kondisi resonansi, karena tergarrtung pada transformator uji setidaknya telah dibangkitkan daya buta. Bahkan kompensasi dapat diperoleh menggunakan reaktor dengan induktansi tetap. Dengan demikian kesulitan teknik untuk membuat reaktor dengan induktansi variable dapat teratasi.
2. Pembangkit Tegangan Tinggi Impuls
Sifat alami yang tidak bisa dihindari saat pengoperasian peralatan listrik tegangan tinggi adalah bahwa peralatan-peralatan tersebut sering terkena tegangan lebih impuls, baik impuls
karena petir maupun impuls karena sistem kontak. Impuls akibat sambaran petir disebut dengan impuls petir dan impuls akibat buka tutup kontak disebut dengan impuls kontak. Sehingga untuk mengetahui kekuatan isolasi peralatan terhadap berbagai bentuk tegangan impuls ini, sangat diperlukan pengujian laboratorium terhadap peralatan peralatan tegangan tinggi.
Tinggi tegangan lebih yang mungkin terjadi pada jaringan menentukan kekuatan dan jenis isolasi. Amplitudo dan besaran waktu tegangan lebih telah distandarisasikan. Standarisasi ini telah diusahakan mendekati kemungkinan pembebanan peralatan secara praktis akibat tegangan lebih impuls petir ataupun impuls kontak. Pengujian dengan standarisasi tegangan impuls ini adalah sebuah pendekatan dari kemungkinan yang terjadi pada pengoperasian nyata peralatan tegangan tinggi. Seperti yang kita ketahui besaran waktu dari impuls kontak pada jaringan sangat tergantung dari konfigurasi jaringan, oleh sebab itu besaran waktu impuls kontak sangat bervariasi pada setiap titik jaringan.
Demikian juga arus akibat sambaran petir adalah merupakan distribusi statistik, sehingga gelombang berjalan tegangan akan berbeda beda. Karena bentuk gelombang impuls ini bervariasi, maka dibuat standarisasi international untuk tegangan impuls (IEC60)
2.1 Besaran Besaran Tegangan Impuls Tegangan Impuls Petir
Bentuk standar tegangan impuls petir dapat dilihat pada Gambar.4.1.
Besaran waktu tegangan impuls petir adalah l,2/50µs. Dengan Ts = T1 =1,2 µs ± 30% dan TR =T2 =50µs ± 20%. Waktu ke puncak, TS diperoleh dari 1,67 kali rentang waktu antara 30% dan 90% nilai tegangan. Dalam hal ini tidak dipergunakan nilai 10%, karena pada pembangkitan tegangan tinggi impuls, osilasi pada awal tegangan impuls mempersulit menentukan nilai 10%. Harus pula diperhatikan dalam hal
ini awal perhitungan tidak dimulai dari naiknya tegangan tetapi adanya nol virtual pada sumbu r akibat tarikan garis Iurus antara 30% dan 90% nilai tegangan.
Waktu punggung adalah waktu antara mulairrya impuls dan 50% nilai tegangan pada punggung gelombang. Tegangan impuls petir diharapkan unipolar. Osilasi dan overshoot di sekitar nilai puncak tegangan diijinkan, jika nilai amplitude yang terbesar tidak melebihi 5% nilai tegangan puncak. Osiiasi pada bagian pertama tegangan impuls (V < 50%.V) diijinkan selama amplitudonya tidak melebihi 25% nilai puncak. Gambar 4.2 menunjukkan beberapa contoh tegangan impuls petir dengan osilasi dan overshoot beserta cara menentukan nilai puncak tegangan impuls petir.
Tegangan impuls kontak
Besaran waktu standar untuk tegangan impuls kontak adalah 250/2500µs. Dengan TCr = T1 = 250µs ± 20% dan T2 = 2500µs ± 60%. Bentuk standarisasi gelombang tegangan impuls kontak dapat dilihat pada Gambar 4.3.
Waktu ke puncak TCr, diperoleh dari rentang waktu antara awal impuls dan tercapainya nilai puncak. Osilasi frekuensi tinggi saat pembangkitan tegangan impuls masih ada akan tetapi hal ini secara praktis tidak berpengaruh karena konstanta waktu tegangan impuls petir jauh lebih besar dari osilasi ini' Waktu punggung T2 merupakan rentang waktu antara awal impuls dan nilai 50% nilai tegangan puncak pada punggung gelombang. Waktu punggung ini mempunyai toleransi sangat besar, karena tergantung dari impedansi benda uji, realisa-si waktu punggung ini bisa menjadi sangat sulit. Toleransi nilai puncak tegangan impuls kontak harus tetap 3%. Permasalahan penentuan nilai puncak seperti pada tegangan impuls petir tidak ditemui karena proses osilasi telah hilang saat mencapai nilai puncak. Besaran lain yang biasa melengkapi besaran tegangan impuls kontak adalah Waktu puncak Td yang didefinisikan sebagai rentang waktu dimana nilai tegangan lebih besar dari 90%.
2.2 Rangkaian Pembangkit Tegangan Impuls Satu Tingkat
Tegangan impuls sampai dengan nilai puncak 300kV umumnya dibangkitkan dengan rangkaian satu tingkat. Untuk tegangan yang lebih tinggi dipergunakan pelipatganda tegangan atau sering disebut dengan Marx generator.
2.2.1 Rangkain dan Prinsip Kerja Pembangkit Tegangan Impuls
Dua type rangkaian pembangkit tegangan impuls dapat dilihat pada Gambar. 4.4. Energi tersimpan pada
kapasitor impuls, Cs yang termuati secara perlahan melalui transformator tegagangan tinggi dan penyearah. Konstanta waktu pemuatan TL berkisar s ... min. Setalah kapasitor dimuati sesuai dengan tegangan pemuatan yang diinginkan, kontak sela bola S.F ditrigger. Tegangan pada beban saat ini masih 0kV karena kapasitor diketanahkan melalui RE. Setelah kontak sela bola terhubung akan terjadi pemindahan muatan dari kapasitor impuls ke beban yang kebanyakan bersifat sebagai kapasitor. Konstanta waktu pemindahan muatan ini ditentukan oleh tahanan redam RD dan kapasitansi beban CB. Secara bersamaan peluahan Cs dan CB melalui RE sudah dimulai. Konstanta waktu dari peluahan ini ditentukan oleh nilai Cs dan RE. Secara praktis, rangkaian tipe 1 yang umum digunakan dalam membangkitkan tegangan impuls, karena efisiensi rangkaian tipe 1| = V/Vƞ L (Perbandingan antara nilai puncak tegangan dan nilai tegangan pemuatan) Iebih baik daripada rangakaian tipe 2. Ini terlihat jelas, berbeda dengan tipe 1, pada tipe 2 RD dan RE membentuk pembagi tegangan sehingga tegangan output menjadi lebih kecil dibandingkan dengan tipe 1. Satu satunya alasan menggunakan rangkaian tipe 2 adalah jika RE secara bersamaan dimanfaatkan sebagai pembagi tegangan untuk keperluan pengukuran tegangan impuls.
2.2.2 Perhitungan Besaran Besaran Tegangan lrnpuls
Rangkaian Tipe 1 dapat dijelaskan secara matematis dengan persamaan diferensial berikut.
Persamaan diferensial ini dapat diselesaikan dcngan hukum eksponensial. Kondisi mula yang harus diperhatikan adalah saat waktu t = 0, tegangan pada Cs adalah UL dan tegangan pada CB bernilai 0. Penyelesaiannya menjadi:
Dari persamaan yang telah diuraikan dapat dilihat bahwa gelombang impuls terbentuk dari dua buah persamaan ekponensial yang secara grafis dapat dilihat pada Gambar 4.6 Dari analisa tersebut di atas, nilai 30% dan 90% dari tegangan puncak juga harus diperhitungkan. Sehingga akan diperoleh nilai waktu ke puncak dan waktu punggung besaran tegangan tinggi impuls. Secara pendekatan praktis di peroleh
Dari persamaan tersebut dapat dilihat bahwa waktu ke puncak. Ts dipengaruhi oleh tahanan redam RD dan rangkaian serta CS dan CB. Sedangkan untuk waktu punggung dipengaruhi olejh tahanan peluahan RE dan rangkaian pararel dari CB dan Cs. Efisiensi diperoleh dari perpindahan muatan.
Semua persamaan tersebut diatas adalah untuk rangkaian tipe 1. Untuk tipe 2 diperoleh:
Untuk tegangan impuls kontak dengan besaran waktu 250/2500 µs faktor pengali yang dipergunakan tidak lagi 2,96 dan 0,73 melainkan 2,41 dan 0,87.
2.2.3 Induktansi parasit
Pada rangkaian tegangan tinggi disamping keberadaan stray kapasitansi tidak dapat dihindarkan pula dengan keberadaan induktansi parasit. Induktnsi parasit pada kapasitor impuls (yang membedakan baik dan buruknya generatol impuls) dan pada kabel yang menghubungkan ke kapasitansi beban salam hal ini test obyek harus diatur.
Besar induktansi dalam sebuah kapasitor impuls secara umum tidak dapat kita ubah (kecuali melakukan pemilihan yang baik saat penibelian) akan tetapi kita dapat mengurangi indukatansi kabel dengan cara memperpendek rangkaian pongujian (rangkaian pcngujian yang kompak). Untuk keperluan analisis pengaruh induktansi tersebut dapat diganti dcngan menggunakan induktansi terpusat seperti pada Gambat.4.7.
2.3 Rangkaian Pelipatganda
Untuk membangkitkan tegangan impuls yang lebih besar dari 300kV tanpa pengecualian selalu menggunakan rangkaian pelipatgandaan tegangan menurut Marx yang sering disebut dengan generator Marx. Prinsip dari rangkaian ini adalah beberapa kapasitor impuls termuati secara parallel pada tegangan pemuatan VL, dan melalui kontak sela bola akan terhubung dan membuang muatan secara seri pada beban.
Proses pemuatan
Kapasitor impuls Cs akan termuati pada tegangan VL, oleh trafo tegangan tinggi dan diode melalui tahanan pemuatan R’L, tahanan redam .R'D dan tahanan peluahan .R'E. Agar semua kapasitor impuls termuati dengan tegangan pemuatan VL yang sama maka tahanan depan RL0
R’
˃ L agar pemuatan jauh lebih lambat dari konstanta waktu pemuatan masing masing kapasitor (TL ~ R’L . CS) pada setiap tingkat. Tahanan pemuatan RL diperlukan untuk memisahkan setiap tingkatan setelah penyalaan kontak sela bola. Nilai tahanan pemuatan R’L dibuat sedemikian rupa agar saat pemuatan seolah terhubung singkat dan saat penyalaan kontak sela bola seolah terbuka. Nilai minimal dari R’L harus memperhitungkan konstanta waktu untuk tegangan impuls kontak (T2 :2500µs). Nilai konstanta waktu pemuatan umumnya pada orde TL ~ 20 ms. Sehingga jika nilai kapasitor impuls diketahui (nilai tipikal 0,5 ... 2µF) maka nilai R’L dapat diketahui. Pemuatan harus sedemikan lambat sehingga tingkat ke n pun termuati secara penuh dengan tegangan pemuatan yang diinginkan. Waktu pernuatan urnumnya berkisar pada 30 s .2 min.
Penyalaan kontak sela bola
Setelah semua kapasitor impuls termuati dengan nilai tegangan yang diinginkan, maka kontak sela bola tingkat terbawah akan ditrigger. Pada kontak sela bola yang lain akan terjadi tegangan lebih sesaat akibat proses transient, sehingga seluruh kontak sela bola akan mengalami penyalaan secara bersamaan. Potensial pada titik 2 yang semula nol akan meningkat seperti tegangan pada titik 1 yang sama dengan VL. Sehingga pada titik 3 akan mempunyai potensial 2.VL. Pada titik sisi tegangan tinggi akan bernilai n.VL. Kapasitansi benda uji akan termuati melalui tahanan redam R’D. Secara bersamaan peluahan sudah dimulai melalui R’E pada setiap tingkat.
2.3.2 Perhitungan besaran besaran impuls pada generator Marx
Besaran besaran impuls pada generator Mark dapat diperoleh dengan membawa rangkaian generator Marx kembali pada rangkaian tipe 1. Perhitungan perhitungan dilakukan dengan menggunakan nilai nilai efektif komponen komponen rangkaian tersebut.
Kapasitansi kapasitor impuls efektif, Cs dihitung dari Cs = C’s/n, karena kapasitor impuls tehubung secara seri.
Tegangan pemuatan efcktif VL adalah V’L .n
Tahanan redam efektif, RD diperoleh dari n. R'D (karena terhubung seri)
Tahanan peluahan efektif RE = n. R'E
Perhitungan parameter tegangan impuls Ts,TR dilakukan seperti rangkaian satu tinggat dengan menggunakan nilai nilai efcktif komponen generator impuls. Pada generator impuls bertingkat harus di perhatikan bahwa kapasitansi efektif kapasitor impuls berkurang dengan meningkatnya jumlah tingkat generator impuls. Umumnya dalam pengujian menggunakan tegangan impuls tidak menggunakan kapasitas tegangan secara penuh, sehingga ada kemungkinan untuk mnengurangi tingkatan generator impuls, artinya tegangan tinggi tidak diambil dari titik 2n tetapi misalnya pada titik 4 atau 6. Dengan variasi rangkaian ini harus diperhatikan bahwa RL pada tingkatan yang tidak dipergunakan harus dilepas dan kapasitor impuls harus dihubungsingkatkan.
Variasi B: 5 tingkat
Variasi B mempunyai perbandingan kapasitansi impuls efektif dengan kapasitansi beban jauh lebih besar dari variasi A (B : Cs/CB = 20 dan A: Cs/CB: 5,56). Hal ini mempermudah menjaga parameter tegangan irnpuls Ts,TR berada pada tolcransinya dibandingka,n dcngan variasi A. Kekurangan dengan mengurangi tingkatan generator impuls adalah kapasitor impuls termuati dengan tegangan pemuatan lebih tinggi. Karena masa pakai kapasitor impuls (jumlah pemuatan dan peluahan) meningkat secara tid.ak proporsional dengan berkulangnya tegangan pemuatan. Schingga disarankan menggunakan tingkat sebanyak mungkin. Secara praktis sebaiknya menggunakan tingkat sebanyak mungkin tetapi parameter tegangan impuls tetap terjaga pada toleransinya.
2.3.3 Induktansi Parasit
Seperti juga pada generator impuls satu tingkat, induktansi parasit pada rangkaian pelipatganda tegangan menimbulkan osilasi yang harus diredam. Induktansi total adalah L = n. L’S + Lkab (L’S = induktansi satu tingkat). Di sini juga berlaku bahwa dengan pengurangan rangkaian seri perbandingariantara L/CB lebih menguntungkan dibandingkan dengan rangkaian penuh.
Nilai tipikal Ls berkisar 26 µs per tingkat dan kawat penghubung adalah lµH/m. Rangkaian osilasi terbentuk darirangkaianC’s – SF – R’D – L’S -C’S - ... R’D – L’S - Lkab – CB..Rangkaian osilasi tersebut dapat diiihat pada Gambar. 4.9, Disamping rangkaian osilasi dengan orde frekuensi l MHz ini ada pula osilasi
yang disebabkan oleh stray kapasitansi. Khususnya yang disebabkan oleh stray kapasitansi antar tingkat yang paralel dengan R’D. Sehingga rangkaian osilasi ini secara keseluruhan memilili frekuensi yang b-esar (f ~ 3...10 MHz). Osilasi ini teredam oleh tand kapasitor impuls juga oleh dielektrikum benda uji (CB) dan tahanan peredam R’D. Osilasi akan semakin nyata dengan makin besarnya R’D. Osilasi yang terjadi pada awal impuls dan mempengaruhi bentuk gelombang dapat diabaikan karena osilasi pada awal impuis sampai dengan v 0,5 vṽ˂ dengan amplitude sampai dengan 25%vṽ masih diijinkan. Osilasi ini dapat dihindari atau di kurangi clengan mengganti tahanan peredam dengan batang penghantar (menghubungsingkatkan stray kapasitoiberarti menghilangkan pengaruh stray kapasitor) dan menggunakan tahanan peredam luar.
2.3.4 Masalah Penyalaan
Pada generator impulse bertingkat, kontak sela bola diatur sedemikian rupa sehingga tegangan responnya lebih besar (sekitar 5%) dari tegangan pemuatan. Seperti halnya proses pada generator satu tingkat setelah diperoleh tegangan pemuatan yang diinginkan kontak sela bola terbawah ditrigger. Sebelum penyalaan kontak sela bola tegangan pada elektrode tegangan tinggi (titik 2n) berada pada tegangan tanah. Tegangan pada sebuah kapasitor tidak dapat meningkat secara tiba-tiba, sehingga tepat setelah penyalaan kontak sela bo1a, tegangan pada titik 2n masih tetap 0. Kontak sela bola terbawah telah ternyalakan, potensial pada titik 2 menjadi V’L . Jika kita mengabaikan tahanan peredam terhadap tahanan peluahan
R'E, maka tahanan peluahan dari titik 2 sampai titik 2n membentuk rangkaian pembagi tegangan. Jatuh tegangan pada tahanan peluahan tingkat ke 2 menjadi v = V’L / (n-1). Tegangan ini terletak seri dengan tegangan ic kapasitor impuls dan ini menyebatrkan tegangan lebih sesaat pada kontak sela bola. Tegangan lebih ini menurun dengan meningkatnya jumlah tingkat generator impuls. Mekanisme ini hanya berfungsi hanya sampai dengan beberapa tingkat generator impuls (sampai dengan 10 tingkat).
Pada kenyataan generator impuls mencapai n = 20. . . 30 tingkat dan kontak sela bola setiap tingkatnya tetap dapat ternyalakan secara bersamaan. Dengan pengamatan yang lebih detil, stray kapasitansi ke tanah harus diperhitungkan (CST2E, CST4E , CST6E, dst), artinya potensial pada titik 2,4,6 dst tidak dapat meningkat secara cepat sesuai dengan konstanta waktu masing-masing. Pada titik 2 bernilai T2 = R'D . CST2E, untuk titik 4 bernilai T4 = (2R’D + R’E) . CST4E, dstnya. Dengan bertambahnya jumlah tingkat, stray kapasitansi ke tanah memang bertamb"ah keJil tetapi konstanta waktu jika dibandingkan dengan tingkat ke 2 tetap lebih besar karena dengan bertambahnya tingkat, tahanan efektif menjadi lebih besar. Pengaruh stray kapasitansi ke tanah ini meyebabkan tegangan lebih transien sesaat pada kontak sela bola tingkat ke 2 dan akhirnya menyebabkan penyalaan pada kontak sela bola ini. Hal ini akan berlanjut sampai tingkat ke n dengan perbedaan waktu yang dapat diabaikan. Kesulitan yang paling besar adalah penyalaan tingkat ke 2, karena dengan bertambahnya tingkat, kondisi untuk penyalaan selalu lebih mudah. Adapun persyaratan utama penyalaan ini adalah saat terjadinya tegangan lebih elektron mula telah tersedia diantara ruang medan kontak sela bola. Hal ini diperoleh dengan desain penempatan sela bola yang tepat. Apabila kontak sela bola ini terlihat satu sama lainnya dalam satu lajur, sinar ultraviolet yang dihasilkan pada penyalaan kontak sela bola yang pertama menghasilkan elektron mula pada kontak sela bola tingkat berikutnya, demikian seterusnya. Karikteristik penyalaan generator impuls sangat dipengaruhi oleh layout instalasi (stray kapasitansi ke tanah) generator impuls, artinya dua buah generator impuls dengan komponen yang sama tetapi layout penempatan yang berbeda dapat mempunyai karakteristik penyalaan berbeda.
Pada pembangkitan tegangan impuls kontak pengaruh tegangan iebih pada kontak sela bola tidak begitu besar seperti pada pembangkitan tegangan impuls petir, karena pada pembangkitan tegangan impuls petir R’D mempunyai nilai tidak sama yang mana tegangan pada titik 2 meningkat secara perlahan. Oleh karena itu pida pembangkitan tegangan impuls kontak, tahanan peredam tingkat terbawah diparalel dengan sebuah kapasitor yang sering
disebut dengan penunjang penyalaan. Kapasitor ini untuk memastikan terjadinya tegangan lebih pada R’E tingkat ke 2 yang berdampak positif pada karakteristik penyalaan.
Meskipun telah dijelaskan berbagai efek diatas, masalah penyalaan selalu muncul pada pembangkitan tegangan impuls. Penyebab utamanya adalah waktu pemuatan yang terlalu pendek. Dalam hal ini tegangan pemuatan pada C’S tingkat lebih tinggi tidak tercapai dan tegangan lebih transien pada kontak sela bola tidak menyebabkan penyalaan. Hal dapat diperbaiki dengan memperpanjang waktu pemuatan.
3. Pembangkit Tegangan Tinggi DC
Tegangan tinggi dc banyak dipergunakan pada berbagai bidang penelitian. Tlansmisi tegangan tinggi dc memperoleh perhatian kembali seiring dengan perkembangan teknologi penyearah tegangan. Dibidang teknik elektro tegangan tinggi dc umumnya dipergunakan untuk
pengujian peralatan atau komponen-komponen transmisi tegangan tinggi dc. Tegangan tinggi dc dipergunakan untuk pengujian kabel transmisi "on site" untuk mengetahui keamanan operasi kabel transmisi yang telah iama dioperasikan. Dalam bidang penelitian fisika kita jumpai penggunaan tegarrgan tinggi dc pada "particle accelerator" dan mikroskop elektron. Pada bidang teknik medikal, teknik rontgen dan terapi elcktrik juga menggunakan tegangan tinggi dc. Penggunaan tegangan tinggi dc di industri dapat kita lihat pada "electrostatic precipitator", "powder coating", dan juga mesin foto
copy
. Tegangan dc umumnya dibangkitkan dcngan mengunakan rangkaian penyearah (diode) apabila diperlukan arus yang besar.3.1 Besaran besaran tegangan tinggi DC
Besaran-besaran tinggi dc yang perlu diperhatikan agar sesuai dengan standar tegangan uji dc adalah sebagai berikut:
1. Polaritas, dalam hal ini polaritas tegangan dc yakni dc positif dan dc negatif memberikan pengaruh berbeda pada pengujian bahan isolasi tegangan tinggi.
2. Amplitudo, didefinisikan sebagai nilai rata rata aritmatik
4. Ripple, didefinisikans sebagai:
3.2 Penyearah setengah gelombang
Penyearah setengah gelombang adalah rangkaian yang paling banyak dipergunakan untuk membangkitkan tegangan tinggi dc. Rangkaian penyearah setengah gelombang dan bentuk gelombang luaran tanpa beban dapat dilihat pada Gambar. 3.1(a) dan (b). Seiring dengan peningkatan beban, ripple juga akan mengalami peningkatan, karena kapasitor penyearah hanya termuati kembali dalam waktu yang lebih singkat.
Gambar Rangkaian penyearah setengah gelombang dan bentuk tegangan luaran tanpa beban
Tegangan luaran adalah (3.1)
Tegangan kerja diode setidaknya dua kali tegangan dc yang diinginkan. Hal ini disebabkan karena saat mode balik (reverse mode), diode mendapatkan tegangan positif pada satu sisi
dan tegangan negatif pada sisi yang lain (3.2)
Pembebanan penAearah setengah gelombang
Tegangan Vo > Vz hampir sepanjang gelombang sinus yang berarti diode dalam keadaan tidak menghantar. Beban menarik muatan dari kapasitor C6 selama Vo ) Vz.Hanya pada rentang waktu o yang relative pendek Vz ) V,, artinya diode dalam keadaan menghantar
dan kapasitor penyearah akan termuati kembali. Gambar.3.2 menunjukkan rangkaian penyearah setengah gelombang berbeban dan bentuk gelombang rangkaian tersebut. Saat diode dalam tidak menghantar arus yang mengalir ke beban adalah IA = VA/R dan mengambil muatan pada kapasitor penyearah C6.
Gambar Rangkaian penyearah setengah gelombang dan bentuk tegangan luaran berbeban
Dari persamaan tersebut terlihat, ripple bertambah besar seiring dengan peningkatan arus beban dan dapat dalam hal ini diperkecil dengan memperbesar kapasistansi kapasitor penyearah atau dengan meningkatkan frekuensi tegangan sumber ac. Penurunan persamaan di atas mengabaikan jatuh tegangan pada diode dan pada trafo uji tegangan tinggi. Dalam kenyataan hal tersebut tidak dapat diabaikan, karena trafo uji tegangan tinggi mempunyai tahanan dalam yang cukup besar. Hal ini menyebabkan tegangan pada C6 saat diode dalam keadaan menghantar Iebih kecil dari V2 sehingga arus charging yang besar ini menyebabkan jatuh tegangan pada stray reaktansi trafo uji. Gambar rangkaian dan bentuk gelombang rangkaian ini dapat dilihat pada Gambar.3.3.
3.3 Penyearah Gelombang Penuh
Pada penyearah gelombang penuh, penggunaan trafo menjadi efektif karena kedua siklus setengah gelonrtrang terbebani. Ripple pada rangkaian penyearah gelombang penuh dua kali iebih kecil daripada penyearah setengah gelombang. Rangkaian ini juga mempunyai arus hantar puncak yang lebih rendah. Ripple rangkaian ini adalah.
Secara umum terdarpat dua jenis penyearah gelombang penuh. Pertama seperti yang ditunjukan pada
Gambar 3.4. Rangkaian ini sering disebut dengan rangkaian titik tengah. Tegangan blocking diode pada rangkaian ini adalah 2. √ 2 .Veff dan trafo harus diketanahkan tepat pada titik
tengahnya. Rangkaian kedua ditunjukan pada Gambar.3.5 dan rangkaian ini disebut dengan rangkaian jembatan. Tegangan blocking diode hanya , √ 2 .Veff. Belitan tegangan tinggi
trafo harus diisolasi terhadap tanah sebcsar , √ 2 .Veff.
Gambar 3.3: Rangkaian penyearah setengah gelombang dan bentuk tegangan luaran berbeban karena jatuh tegangan pada trafo uji tegangan tinggi
3.4 Rangkaian Pelipatganda Tegangan Dc
3.4.1 Rangkaian Delon
Secara prinsip rangkaian delon sama seperti rangkaian penyearah setengah gelombang akan tetapi pada rangkaian ini tegangan tidak diambil pada kapasitor penyearah tetapi pada diode. Rangkaian dan bentuk gelombang dari rangkaian delon dapat dilihat pada Gambar. 3.6. Dengan rangkaian ini akan diperoleh tegangan sesaat yang tinggi dengan tegangan maksimal sebesar Vomax = 2. √ 2 .V1eff. Tetapi rangkaianini memiliki ripple yang sangat tinggi yakni
2. δV /⃛v = 200%. Rangkaian ini sering dijumpai penggunaannya pada electro precipitator dan electrostatic painting.
3.4.2 Rangkaian Delon Ganda - Liebenov Greinacher
Rangkaian ini menggunakan dua buah diode dan dua buah kapasitor penyearah. Tegangan tinggi dc diperoleh dari selisih tegangan pada sisi positif dan sisi negatif. Tegangan tinggi dc yang diperoleh adalah Vo= 2. √ 2 .Veff . Rangkaian dan bentuk gelombang dapat dilihat pada Gambar. 3.7.
3.4.3 Rangkaian Villard
Gambar.3.8 adalah gambar rangkaian villard dan bentuk gelombangnya.Rangkaian ini terdiri dari rangkaian delon yang kemudian dilewatkan pada sebuah diode dan kapasitor. Artinya tegangan antara titik 2-0 sesaat sebesar 2.0 dan tegangan output menjadi.
ripple dari rangkaian ini adalah
Tegangan blocking pada diode adalah Vblock = 2. √ 2 .Veff. 3.4.4 Kaskade Greinacaher (Cochroff - Walton)
Rangkaian Kaskade Greinacher adalah rangkaian yang penting untuk membangkitkan tegangan tinggi dc dari sumber ac yang relatif kecil (100-200kV). Rangkaian ini juga menghasilkan daya yang besar karena dapat membangkitkan beberapa MV dengan arus sampai dengan 100mA. Gambar 3.9 menunjukkan rangkalan sederhana dari kaskade Greinacher berserta bentuk gelombang masukan dan luararrnya.
Dalam gambar terlihat dengan jelas bahwa rangkain kaskade Greinacher tiga tingkat sama dengan tiga buah rangkaian Villard. Tegangan yang dihasilkan adalah
Secara teoritis, kaskade Greinacher dapat membangkitkan tegangan tinggi dc setinggi mungkin. Akan tetapi pada saat pembebanan Ripple meningkat secara tidak proporsional seiring peningkatan tingkatan generator ini.
3.5 Generator Elektrostatik
Prinsip dari pembangkitan tegangan tinggi dc dengan generator elektrostatik adalah pemisahan muatan baik positifatau negatifdan dikumpulkan pada sebuah elektrode. Tegangan dc yang dibangkitkan oleh generator elektrostatik tidak memiliki ripple.
3.5.1 Generator Van de Graaff - Generator Pita
Generator ini dikembangkan pertama kali oleh fisikawan Amerika Robert Van de Graaff. Skcrrratik generator van de Graaff dapat diiihat pada Gambar. 3.10. Adapun prinsip dari band generator adalah sebagai berikut: Melalui peluahan korona pada electrode jarum-pla1 akan terbentuk ion positif atau nagatif tergantung dari polaritas sumber tegangan dc untuk membangkitkan korona. Muatan ini bergerak pada pita yang berputar dan terkumpul pada electrode tegangan-tinggi, sehingga elektrode tegangan tinggi termuati secara elektro statis. Kekurangan dali generator van de Graaff adalah kesulitan dalam pengaturan dan pembebanan yang terbatas. Arus yang dihasilkan pada pita tergantung dari kerapatan muatan bidang, kecepatan pita dan lebar pita,
hal ini σ adalah kerapatan muatan bidang, u adalah kecepatan pita, dan b adalah lebar pita. Transportasi muatan dibatasi oleh lebar pita. Kerapatan muatan bidang dibatasi oleh kuat medan gas di sekitar elektrode jarum plat.n tinggi tegangan dc di tentukan oleh tahanan isolasi, besarnya arus pita, dan tegangan awal korona. Secara
praktis peningkatan tegangan hingga tak berhingga tidaklah mungkin karena setelah tegangan awal korona terlewati akan terjadi peningkatan arus bocor secara tidak proporsional.
3.5.2 Trommel Generator Felici
Generator ini dikembangkan oleh Noel J Felici. Prinsip generator ini sama dengan prinsip genarator van de Graaff. tommel termuati secara elektrostatik melalui korona pada elektorde jarum-plat. Muatan akan bergerak dan memuati kapasitor melalui sikat. Skematik diagram dari rangkaian trommel generator dapat dilihat pada Gambar. 3.11. Secara teknis mekanisme pergerakan rotasi trommel generator lebih sederhana dari pergerakan translasi generator van de Graaff. Kecepatan trommel dapat Iebih tinggi dari kecepatan generator van
de Graaff, sehingga arus pemuatan dan juga pembebanan lebih tinggi dari generator van de Graaff. Tegangan maksimum dibatasi seperti halnya pada generator van de Graaff oleh rugi rugi peluahan korona.
