1

PEMBANGKITAN DAN PENGUKURAN

TEGANGAN TINGGI DC

BAB I

PENDAHULUAN

Perkembangan sistem tenaga listrik yang pesat membutuhkan transmisi

tegangan tinggi. Lingkup studi tegangan tinggi sangat luas, antara lain meliputi

fenomena tegangan tinggi, seperti perhitungan medan listrik, gejala tembus listrik

dielektrik, dan lain-lain. Pembangkitan tegangan tinggi terbagi menjadi

pembangkitan tegangan tinggi bolak-balik, pembangkitan tegangan tinggi searah, dan

pembangkitan tegangan tinggi impuls.

Yang dimaksud dengan tegangan tinggi dalam dunia teknik tenaga listrik

(elektrik power engineering) adalah semua tegangan yang dianggap cukup tinggi

sehingga diperlukan pengujian dan pengukuran tegangan tinggi yang semuanya

bersifat khusus dan memerlukan teknik-teknik tertentu (sujektif), atau dimana gejala-

gejala tegangan tinggi mulai terjadi (objektif). Batas yang menyatakan kapan suatu

tegangan dapat dikatakan tinggi H.V (high Voltage), dan kapan sudah ahrus dsebut

tinggi sekali E.H.V (Extra High Voltage) serta Ultra tinggi U.H.V (Ultra High

Voltage).

Tegangan ini berbeda-beda untuk setiap negara atau perusahaan tenaga listrik

dinegara-negara tersebut, dan biasanya tergantung kepada kemajuan tekniknya

masing-masinng. Salah satu faktor yang menentukan ialah tingginya tegangan

transmisi yang dipakai. Sebagimana diketahui, ini tegantung kepada besarnya tenaga

yang harus disalurkan dari pusat-pusat listrik kepusat beban (load centres) dan jarak

yang harus ditempuh untuk memindahkan tenaga tersebut secara ekonomis. Dinegara

–negara yang sudah maju H.V. dianggap mulai pada tegangan 20-30 kV, E.H.V pada

tegangan 220 kV, sedangkan U.H.V pada tegangan 765 kV. Tentu saja harga-harga

2

tersebut dapat berubah menurut keadaan setempat dan kemajuan –kemajuan yang

tercapai.

Besarnya tegangan pengujian yang harus diterapkan pada pengujian tegangan

tinggi tergantung pada tegangan nominal alat lisrik yang diuji pada standar yang

berlaku. Tegangan tinggi yang diterapkan atau yang dialami oleh sistem tenaga dapat

berupa :

Tegangan biasa (nominal) yaitu tegangan yang seharusnya dapat ditahan oleh

sistem tersebut untuk waktu yang tak terhingga.

Tegangan lebih (Over Voltage) yang hanya dapat ditahan untuk waktu terbatas.

Pada pengujian tegangan tinggi tersebut terdapat pengujian yang bersifat merusak

dan tidak merusak alat yang diuji, pengujian yang sifatnya merusak pada umumnya

terdiri dari tahap yang tegantung pada tingkat tegangan. Pengujian Tegangan Tinggi

dikelompokkan menjadi :

a. Pengujian sifat-sifat dielektrik temuan baru

b. Pengujian untuk memeriksa kualitas isolasi peralatan listrik

c. Mengetahui ketahanan isolasi peralatan dalam memikul tegangan lebih yang

terjadi

3

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Pembangkit Tegangan Tinggi Searah

Sebelum adanya diode penyearah tegangan tinggi, maka orang menggunakan

generator searah. Sekarang telah ditemukan diode tegangan tinggi sehingga orang

dengan mudah untuk menggunakan dan memperoleh tegangan tinggi searah.

Pembangkitan tegangan tinggi searah di laboratorium umumnya

menggunakan diode semi konduktor yang terpasang seri pada kutup tabung hampa

seperti pada gambar 2.1.

Gambar 2.1 Diode tegangan tinggi

Untuk mendapatkan tegangan tinggi searah biasanya dilakukan dengan cara

menyearahkan tegangan bolak balik melali suatu penyearah (biasanya digunakan

diode semikonduktor). Untuk mempertinggi nilai tegangan searah digunakan suatu

rangkaian pengganda tegangan searah

Gambar 2.2 Penyearah semikonduktor

Untuk membangkitkan tegangan tinggi DC kita membutuhkan dioda banyak

yang dihubungkan seri karena sebuah dioda hanya digunakan pada tegangan rendah.

Hubungan dioda ini dimasukkan ke dalam tabung dan diisolasi oleh minyak sebagai

4

pendingin. Dari kedua tipe diatas mempunyai perbedaan yaitu : Pada dioda terjadi

drop tegangan yang realtif besar di bandingkan tabung. Keuntungan dioda adalah

tidak perlu pemanasan dan langsung di operasikan. Kemudian pada dioda arus balik

masih ada atau sangat kecil sedangkan pada tabung arus balik nol.

Rangkaian paling sederhana untuk membangkitkan tegangan tinggi searah

adalah dengan menggunakan penyearah setengah gelombang (half wave rectifier).

RL adalah resistansi beban dan C adalah kapasitor untuk meratakan tegangan

keluaran DC

Jika kapasitor tidak terhubung tegangan terminal keluaran dc masih

bergelombang. Dengan adanya kapasitor akan meratakan tegangan keluaran sehingga

hasil tegangan keluaran mendekati tegangan dc murni. Gambar a menunjukkan

rangkaian penyearah setengah gelombang, gambar b menunjukan tegangan keluaran

sebelum diberikan kapasitor sebagai perata tegangan keluaran,sedangkan gambar c

menunjukan tegangan keluaran setelah diberikan kapasitor perata.

Tegangan output V tidak lagi konstan jika rangkaian dibebani, dalam satu

periode T = 1/f dari tegangan A.C tegangan muatan Q ditransfer ke beban RL yang

dapat direpresentasikan dalam persamaan :

5

I adalah nilai rata rata dari tegangan output dc iL(t) dan V(t)  yang diikuti

dengan ripple seperti gambar berikut :

Perubahan muatan pada kapasitor perata selama periode padam didapatkan

dari persamaan

Dengan demikian ripel dapat dikurangi dengan memperbesar kapasitas

kapasitor perata atau dengan mempertinggi frekuensi

6

Untuk membangkitkan tegangan tinggi searah ada beberapa metode yaitu :

a. Rangkaian Villard

Rangkaian ini merupakan rangkaian pengganda, tegangan yang paling sederhana

Kapasitor C dimuati hingga tegangan puncak −U T sehingga meningkatkan

potensial terminal keluaran tegangan tinggi terhadap trafo sebesar tegangan

tersebut. Untuk kondisi tanpa beban berlaku persamaan berikut:

Rangkaian villard dapat dilihat pada gambar berikut ;

Gambar 2.5. Rangkaian Villard diagram rangkaian, (b) kurva tegangan

b. Rangkain Pengganda Grainacher

Gambar 2.6. Rangkaian pongganda Greinacher (a) diagram rangkaian, (b)kurva tegangan

Rangkaian Pengganda Greinacher Dalam gambar 4. 5 ditunjukkan perluasan

rangkaian Villard dengan penyearah V2 yang memungkinkan pemasangan

kapasitor perata C2. Untuk kondisi tanpa beban berlaku persamaan berikut:

7

Jumlah tegangan balik dari penyearah dalam rangkaian ini sama dengan-dua

kali tegangan keluaran U yang juga berlaku untuk setiap rangkaian penyearah

yang memuat komponen perata tegangan searah.

c. Rangkaian Zimmermansi-Wittka

Gambar 2.7 Rangkaian Zimmermansi-Wittka (kondisi tanpa beban) (a)diagram rangkaian, (b) kurva tegangan

Rangkaian ini merupakan penggabungan dua rangkaian Villard yang

dihubungkan berhadapan pada terminal keluaran dengan nilai puncak sebesar

tiga kali tegangan trafo dan tegangan rata-rata pada kondisi tanpa beban

sebesar U = 2 U T. Rangkaian ini dapat dibumikan pada sebarang titik asalkan

isolasi belitan trafo mencukupi; hal ini juga berlaku untuk rangkaian lain.

d. Rangkaian Kaskade Grainacher

Gambar 2.8 Rangkaian Kaskade Greinacher (kondisi tanpa beban)

8

Rangkaian ini dikemukakan H. Greinacher pada tahun 1927. rangkaian

tersebut merupakan rangkaian tiga tingkat untuk mendapatkan jatuh tegangan

yang lebih merata maka dipilih kapasitansi Co = 2C1. C1 berfungsi sebagai

kapasitor perata. Kaskade grainacher dibuat untuk tegangan 5 mV dengan

kapasitas arus rangkaian uji sekitar 10mA.

Contoh lain rangkaian kaskade dapat dilihat pada gambar berikut :

Gambar 2.9 Contoh rangkaian penyearah (kondisi tanpa beban)

Gambar diatas digunakan untuk arus keluaran yang cukup besar (100 mA)

maka masukan arus bolak-balik untuk masing-masing rangkaian harus

diberikan pada potensial yang tinggi dan ini dapat dilakukan dengan

menggunakan trafo-trafo pemisah atau alternator-altemator yang saling

terpisah.

9

2.2 Pengukuran Tegangan Tinggi DC

Tegangan tinggi arus searah dapat diukur dengan berbagai cara :

a. Pengukuran dengan resistor tegangan tinggi.

Arus yang digunakan untuk pengukuran ini harus sangat kecil yaitu berkisar 1

mA, dikarenakan batas pembebanan pada sumber tegangan serta pemanasan

pada resistor ukur. Akan tetapi arus yang kecil mudah terganggu oleh arus –

arus galat berupa arus – arus bocor dalam bahan isolasi dan permukaan isolasi

serta berupa peluahan korona. Konstruksi resistor tegangan tinggi dibentuk

dengan menhubungkan elemen – elemen resistor secara seri.

b. Pengukuran dengan menghubung seri mikroammeter dengan resistor.

Tegangan tinggi DC biasanya diukur dengan menghubungkan tahanan yang

sangat tinggi (beberapa ratus megaohm) terhubung seri dengan

microammeter, sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2.

Arus I yang mengalir  melalui resistansi R diukur oleh moving coil

microammeter. Besar tegangan sumber adalah :

            V = I R

Dalam hal ini drop tegangan dalam meter diabaikan, oleh karena

impedansi meter sangat kecil dibanding dengan resistansi seri R. Peralatan

proteksi seperti paper gap, neon glow tube atau zener diode, merupakan

media proteksi bagi microammeter terhadap tegangan tinggi, ketika R

mengalami kegagalan atau flash over.

c. Pengukuran dengan Pemakaian Pembagi Tegangan

Untuk mengukur tegangan arus searah yang tinggi dibutuhkan pembagi

tegangan. Alat ini dipakai untuk menurunkan tegangan yang tinggi menjadi

tegangan yang rendah sehinga dapat disambungkan ke meter atau CRO. Nilai

tegangan ini cukup besar sehingga tidak akan membahayakan alat ukur itu

sendiri atau pemakai. Berdasarkan elemen-elemen yang dipakai, pembagi

tegangan ini dapat dibedakan menjadi :

10

1. Pembagi tegangan resistif, berisi elemen tahanan.

2. Pembagi tegangan kapasitif, berisi elemen kapasitor.

3. Pembagi tahanan campuran antara resistor dan kapasitor.

Jenis pembagi tegangan Z1 dan Z2 dapat berupa tahanan, kapasitor atau

campuran RC. Elemen tahanan dan kapasitor bila diterapkan pada tegangan

tinggi selalu terdapat pengaruh tahanan dan kapassitansi. Selain itu tahanan

yang dipakai harus mempunyai induktansi yang kecil.