pembangkitan tegangan tinggi materi

38
Pembangkitan Tegangan Tinggi 1. Pembangkitan Tegangan Tinggi AC Tegangan 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

Upload: yudha-irawan

Post on 23-Jan-2016

109 views

Category:

Documents


13 download

DESCRIPTION

pembangkitan tegangan tinggi

TRANSCRIPT

Page 1: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

Pembangkitan Tegangan Tinggi

1. Pembangkitan Tegangan Tinggi AC

Tegangan 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:

Page 2: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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.

Page 3: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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

Page 4: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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.

Page 5: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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

Page 6: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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

Page 7: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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.

Page 8: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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

Page 9: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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|ƞ = V/VL (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.

Page 10: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

Persamaan menggunakan transformasi Laplace dan dengan bantuan Gambar 4.5.

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

Page 11: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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.

Page 12: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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.

2.3.1 Rangkaian Pengganti Generator Marx

Page 13: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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.

Page 14: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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.

Page 15: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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.

Page 16: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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 ṽ

dengan amplitude sampai dengan 25%ṽ 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

Page 17: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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

Page 18: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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 fotocopy. 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:

Page 19: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

5. Sesuai dengan IEC 60, saat pengujian ripple tidak melebihi 3%.

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

Page 20: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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.

Page 21: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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

Page 22: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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 / v⃛ = 200%. Rangkaian ini sering dijumpai penggunaannya pada electro

precipitator dan electrostatic painting.

Page 23: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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.

Page 24: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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.

Page 25: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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.

Page 26: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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,

Page 27: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

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

Page 28: Pembangkitan Tegangan Tinggi Materi

Graaff. Tegangan maksimum dibatasi seperti halnya pada generator van de Graaff oleh rugi

rugi peluahan korona.