Proses Pembangkitan Tegangan Tinggi AC Bentuk tegangan tinggi yang dibangkitkan dapat berupa: Tegangan AC, DC (konstan) atauImpuls.TeganganACdanDCdigunakanuntuktransmisidayalistrik,jugadipakai untuktujuanpengujian.SedangkantegangantinggiImpulsdibutuhkanuntukinvestigasi rensponsisolasipadasystemtransmisi(termasukperalatan)terhadapgangguantransien akibat Surja hubung dan surja petir.PembangkitantegangantinggiACdapatdilakukandenganmenggunakanGenerator sinkron(motor-drivensynchronousgenerator),namunkebanyakanmenggunakantrafouji satuphasayangdisupplyolehtegangandistribusi(110Vatau240V,50/60Hz).Untuk keperluanpengujiantegangantinggi,dituntutteganganyangnaiksecaraperlahan-lahan (smoothandgradually).Untukituteganganinputdistribusiyangmerupakanfixedmains Voltageterhubungdenganvariable-voltagetransformeryangberfungsisebagaipengatur tegangan pada sisi primer trafo uji tegangan tinggiSingle 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. Teganganinput(mainsupply)sebelumdisupplykekumparanprimertrafouji,terlebih dahulumelaluivariabletransformer(yaitu:variablevoltagetoroidalauto-transformer, variac),ratingdariTest-setcommercialberupateganganoutputdalamkVdandayadalam 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).Largefixedunit,dapatberoperasihingga200kV,ratingdayaoutputnyabesardan ditentukan oleh factor-faktor fisik dan berat, yang dapat mecapai 100 kVA Jikaterjadiflashover,ataubreakdowninternalpadaobyekuji,makasudahbarang tentu transformer sebagaimana gambar 1. akan mengalami kondisi over load dan short circuit. Konsekwensinya,isolasidaritrafoujiharusdidesigntahanterhadaptegangantinggisurja yang menyebabkan kegagalan pada obyek uji.Kaskade Transformer Hubungankaskadetrafoujiumumnyadipakaiuntukmendapatteganganyanglebih tinggiyangmelebihibeberaparatuskV.Padagambar2.Diperlihatkankaskade2buah transformerdenganspesifikasitegangan240V/200kV.TangkidanintipadaTransformerT1 ditanahkan, main voltage berasal dari variable-voltage transformer, Ujung terminal sekunder T1(d1)jugaditanahkan,sedangkanterminaloutputnyayangberasaldaric1dane1 dihubungkankeprimerT2(a2b2).Daribentukkaskade2buahtrafo,makaakandihasilkan tegangan output sebesar 400 kV terhadap tanah (c2d1). Kontrol tegangan pada trafo uji Semuabentukpengujian,merekomendasikanagarteganganujiyangdiberikan bergerak naik secara gradual dan smooth dari nilai 0 hingga pada level tegangan uji. Keadaan inidapatdilakukandalambeberapacara.Yaitu:menggunakansliderresistancecontrol sebagaimanayangdiperlihatkanpadagambar4.3,menggunakantappedtransformer sebagaimanaterlihatpadagambar4.4,menggunakaninductionregulatorsebagaimana terlihat pada gambar 4.5. Untuk trafo uji yang kecil dengan output daya dibawah 5 kVA, control resistance mempunyai keuntungan,selainmurah,mudah,distorsibentukgelombangtegangannyapunkecil. SedangkanuntukunitdengankVAyangbesar,Largesizedancostofresistancebersama-sama dengan rugi-rugi daya merupakan hal yang tidak menguntungkan. Gambar4.4.Menggambarkanmetodecontroloutputtegangantinggiyangakurat. Primer dari trafo uji dihubungkan dengan tap-tap yangyang tedapat pada sisi sekunder trafo regulasi. Untuk menghindari surja pada output tegangan tinggi berkenaan dengan terbukanya sisisekunderpadatraforegulasiakibatperpindahantap,digunakantwocontactbrushes, brushesberhubungandenganadjacentstudsdanbufferresistance,ataureactancecoil, Keadaanyangdemikianinimencegahterjadinyashortcircuitpadabagiankumparan transformer.Keuntungandarimetodeini,selainefisiensinyatinggi,distorsibentuk gelombangnyakecil,namunregulasinyatidaksmoothkecualijikamenggunakanjumlahtap yangbanyak.Untuktrafoujipadaheavyduty,regulatorinduksidapatdigunakanuntuk mengontrol input tegangan pada trafo uji, sebagaimana diperlihatkan pada gambar 5. Rangkaian resonansi seri Rumus-rumusbagiimpedansiyangmengandungLatauCmenunjukkan,bahwa modulusmaupunsudutfasasuatuimpedansimerupakanfungsidarifrekwensisudute. MisalnyauntukimpedansirangkaianseriRdanL,terlihatbahwaimpedansi(Modulus) makinbesardenganbertambahnyafrekwensi,sedangkanfasanyamakinmendekati90o. Olehkarenaiturangkaiansemacaminimakinsukarmelalukanarusdenganfrekwensiyang tinggi.SebaliknyaimpedansirangkaianseriRdanC,terlihatbahwaimpedansi(Modulus) makinkecildenganbertambahnyafrekwensidansudutfasanyasemakinmendekati-90o. Dengandemikianrangkaiansemacaminimakinmudahmelalukanarusdenganfrekwensi yang tinggi . UntukiturangkaianyangmengandungR,LdanC,dapatdiharapkanimpedansinya tidaknaikterusatauturunterusbilaedinaikkansepertipadakeduacontohdiatas, melainkan menurut fungsie yang mungkin mengandung sejumlah maxima dan minima. Dari gambar 2.24. dapat dibentuk persamaannya sebagai berikut: )RC1L( tg arc)C1L ( R Z)C1L ( j R L j R Z2 2C j1e e= e e + =e e + = + e + =e Daripersamaandiatas,terlihatbahwabaikfrekwensi-frekwensiyangsangattinggimaupun rendah, Z menjadi sangat besar. Namun demikian bilaC1Le e = 0, maka= 0 dan Z = R. KeadaaninimerupakanhargaminimumbagiZ.Sedangkanhargafrekwensisudutuntuk keadaan ini adalah: LC 21fLC1f 2LC1C1Lt= = t= e e= e Keadaaninidisebutsebagaikeadaanresonansi,yaitukeadaandimanadiperoleharusyang maximum(karenaZminimum),danfrekwensibergantungpadanilaiLatauC.Bila C1Le< e makanegative,danrangkaianbersifatkapasitif.Sebaliknyabila C1Le> emaka positif, dan rangkaian bersifat induktif. Rangkaian resonansi seri pada pembangkitan tegangan tinggi Gambardibawahadalahdiagramsederhanadarirangkaianresonansiseri.Objekujiberupa kabelyangdapatdirepresentasikansebagaisebuahkapasitansidanterhubungseridengan movingcoilreactoryangdirepresentasikansebagaiinduktansi,yangdapatdiubah-ubah untukmengimbangiimpedansibebankapasitifpadafrekwensidaya.Rangkaianresonansi seriyangterbentukakanmembangkitkantegangantinggiketikadieksitasiolehregulator 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 padafreqwensidayae,Jika(L1+L2)=1/ eC,makaaruspadaobyekujimenjadisangat besardanhanyadibatasiolehresistansirangkaian.Bentukgelombangteganganpadaobyek ujimerupakansinusoidalmurni.AdapunbesarteganganyangmelaluicapasitasiCpada obyek uji dirumuskan sbb: CRVXRV) X X ( J RjVXVCC LCCe= = +=FaktorXC/R=1/ eCRmerupakanfactorQpadarangkaiandanmemberikankenaikan teganganpadaobjectujipadakondisiresonansi.Olehkarenaituteganganinputyang dibutuhkanuntukexitasiditurunkansebesarfactor1/QdanoutputkVAjugaditurunkan sebesar factor 1/Q. Faktor daya rangkaian pada sisi sekunder adalah satu. Prinsipyangadapadaresonansiseridipakaiuntukpengujianteganganyangsangat tinggidanpadakeadaanyangmembutuhkanoutputarusyangbesarsepertipadapengujian kabel, pengukuran dielectric loss, pengukuran partial discharge. PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI BOLAK-BALIK Ketikateganganpercobaanyangdibutuhkankurangdari300kV,dapatdigunakan transformertunggal.Impedansitransformerharuskurangdari5%,danmampu memberikanarusshortcircuitselamasatumenitataulebihtergantungdesain.Sebagai tambahan bagi lilitan normal, yang dikenal sebagai lilitan tinggi dan rendah, terdapat lilitan ketigayangdisebutlilitanmeter,untukmengukurteganganoutput.Untukteganganyang lebih tinggi, konstruksi masing-masing untuk menjadi lebih rumit dan mahal sebagai akibat darimasalahisolasi.Terlebihlagi,transportasidanpemasangantransformerberukuran besarsangatsulit.Kekuranganiniditutupiolehpenghubungseriataupembongkarandari beberapaunitidentiktransformer,dimanalilitantegangantinggidarisemuaunitdatang secara seri. 1.Cascade Transformer (Pembongkaran Transformer) Gambar a. Transformator kaskade Gambaramenunjukkanpemisahanunittransformerdimanatransformerpertama terletakpadagroundpotentialbersamaandengantanknya.Transformerkeduatersimpan pada isolator dan tetap pada potensial V2, tegangan output dari unit pertama di atas ground. Lilitantegangantinggidariunitpertamadihubungkanketankpadaunitkedua.Lilitan teganganrendahunitinidisuplaidarililitanexcitation(pembangkit/pendorong)dari transformerpertama,yangterhubungseridenganlilitantegangantinggidaritransformer pertamapadaujungtegangantingginya.Nilaidarililitan excitationhamperserupadengan denganlilitanprimerpadalilitanteganganrendah.Hubungantegangantinggidarililitan transformerpertamadanterminallilitanexcitationdiperolehmelaluibushingke transformerkedua.Transformerketigaterdapatpadaisolatordiatasgroundpada potensial2V2,dandisuplaiolehtransformerkedua.Jumlahtingkatanpadasusunanini biasanya 2 sampai 4, tapi terkadang, digunakan 3 tingkatan untuk operasi 3 fasa jadi dapat diperoleh nilai 3V2 antara masing-masing line. Suplaiuntukunitdapatdiperolehdarimotor-generatorataumelaluiinduksi regulatoruntukteganganoutputyangbervariasi.Nilaidarililitanprimeratautegangan 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. IsolatingtransformerIs1,Is2,danIs3merupakantransformerinsulateddenganratio 1:1terhadaptankpotensialnya,danditujukansebagaisuplaibagiexcitationuntuktingkat keduadanketigapadatankpotensialnya,Powersupplykeisolatingtransformerjuga 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 -ratingdisampaipada10MVApadakoneksicascadememberikantegangantinggi sampai 2.25 MV baik dalam ruangan maupun di luar ruangan. Pengujianperalatanatauisolatortegangantinggiselalumelibatkanpenyediaan beban kapasitif dengan power disipasi yang rendah. Jika C adalah kapasitansi, V adalah nilai rmsdariteganganoutputnominaltransformerpadafrekuensiangularw,makanilai nominaltransformerdalamkVAmenjadiP=K.V2wC,dimanaK(>1.0)merupakanfactor untukmenghitungkapasitansiekstradalamrangkaianuji,sepertimengukurkapasitansi divider, dll. K memiliki banyak nilai dalam order 2 atau lebih unutk tegangan sangat tinggi (>1MV). Aruscharginguntukperalatanujiberkisarantara10mApada100kVsampai 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 penggunaanluarruangansaja.Desainnyasepertidisebutkanpadapolakeduadan memastikan unit dilengkapi dengan cincin logam ukuran besar untuk menghindari korona, dandihentikandenganelektrodanearsphericalpolycone.Transformerujimodern diciptakan untuk menahan transient selama flashover pada objek uji. Transformercascademerupakanperalatanyangsangatmahaldansulitdiperbaiki. Sehinggaarusshortcircuittinggiharusdibatasidenganmenggunakanlimitingreactorpada input stage. Power Supply untuk a.c Rangkaian Uji UnitTransformercascadebesarmendapatpasokandayadarimotor-generator terpisahatauregulatortegangan.Supplymenggunakanregulatorteganganakanlebih murah,danlebihflexiblejikaunitcascadedapatberoperasidalamkeadaanterpisah,atau parallel, atau dalam unit 3 fasa. Impedansi pada transformer regulating tegangan juga harus rendah pada semua posisi tegangan. 2.Resonant TransformerRangkaianekivalendaritransformerujitegangantinggimengandungkebocoran reaktansi pada lilitan, resistansi lilitan, reaktansi magnetis, dan kapasitansi shunt melewati terminal output diakibatkan oleh bushing oleh terminal tegangan tinggi. Resonansiserimungkinterjadipadafrekuensidayaw,jika(L1+L2)=1/wC.Dengan kondisi ini, arus pada objek sangat besar dan hanya dibatasi oleh resistansi pada rangkaian. Bentukgelombangteganganyangmelewatiobjekberupasinusoidal.Besartegangan melewati kapasitansi C yaitu : FaktorXC/R=1/wCRmerupakanfactorQdarirangkaiandanmemberikannilaidari multiplicationteganganangmelewatiobjekpadakondisiresonansi.Teganganinputyang 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. Prinsipinidigunakanpadapengujiantegangansangattinggidankasusyang membutuhkanarusoutputbesarsepertipengujiankabel,pengukurandielectricloss, pengukuranpartialdischarge,dll.Transformerdenganratingtegangan50-100kVdan 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 -tidakadapengulanganflashoverterjadijikagagalsebagianpadatestobjekdan pemulihan isolasi.Kerugian : -dibutuhkancokvariabletambahanyangsanggupmenahanteganganpenuhdanarus penuh. 3.Pembangkitan Frekensi Tinggi a.c tegangan tinggi Frekuensitinggitegangantinggidibutuhkanuntukrectifiersupplydayad.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 -peningkatanteganganlambatmelaluibeberapasiklussehinggatidakadakerusakan karena pergantian gelombang (sentakan) -distribusi seragam tergangan melewati lilitan koil karena pembagian koil stack menjadi sejumlah unit. TransformerresonansifrekuensitinggiyangumumdigunakanadalahTeslacoil,yang rangkaiannyadoublytunedresonant.Ratingteganganutamaadalah10kVdansekunder 500-1000kV. Primer didapat dari sumber ac atau dc melalui condenser C1.