Proses Pembangkitan Tegangan Tinggi AC

Bentuk tegangan tinggi yang dibangkitkan dapat berupa: Tegangan AC, DC (konstan)

atau Impuls. Tegangan AC dan DC digunakan untuk transmisi daya listrik, juga dipakai

untuk tujuan pengujian. Sedangkan tegangan tinggi Impuls dibutuhkan untuk investigasi

renspons isolasi pada system transmisi (termasuk peralatan) terhadap gangguan transien

akibat Surja hubung dan surja petir.

Pembangkitan tegangan tinggi AC dapat dilakukan dengan menggunakan Generator

sinkron (motor-driven synchronous generator), namun kebanyakan menggunakan trafo uji

satu phasa yang disupply oleh tegangan distribusi (110 V atau 240 V, 50/60 Hz). Untuk

keperluan pengujian tegangan tinggi, dituntut tegangan yang naik secara perlahan-lahan

(smooth and gradually). Untuk itu tegangan input distribusi yang merupakan fixed mains

Voltage terhubung dengan variable-voltage transformer yang berfungsi sebagai pengatur

tegangan pada sisi primer trafo uji tegangan tinggi

Single step up Transformers

Rangkaian listrik dasar dari pada pembangkitan tegangan tinggi (test-set) untuk menghasilkan

tegangan tinggi AC frekwensi daya hingga 200 kV diperlihatkan pada gambar 1.

Tegangan input (main supply) sebelum disupply ke kumparan primer trafo uji, terlebih

dahulu melalui variable transformer (yaitu: variable voltage toroidal auto-transformer,

variac), rating dari Test-set commercial berupa tegangan out put dalam kV dan daya dalam

kVA. Adapun konstruksi dari test-set dibagi kedalam 2 katagori, yaitu:

(1). Portable unit, dengan tegangan out put hingga 50 kV dan rating daya 1-2 kVA

(2). Large fixed unit, dapat beroperasi hingga 200 kV, rating daya output nya besar

dan ditentukan oleh factor-faktor fisik dan berat, yang dapat mecapai 100 kVA

Jika terjadi flash over, atau breakdown internal pada obyek uji, maka sudah barang

tentu transformer sebagaimana gambar 1. akan mengalami kondisi over load dan short circuit.

Konsekwensinya, isolasi dari trafo uji harus didesign tahan terhadap tegangan tinggi surja

yang menyebabkan kegagalan pada obyek uji.

Kaskade Transformer

Hubungan kaskade trafo uji umumnya dipakai untuk mendapat tegangan yang lebih

tinggi yang melebihi beberapa ratus kV. Pada gambar 2. Diperlihatkan kaskade 2 buah

transformer dengan spesifikasi tegangan 240V/200kV. Tangki dan inti pada Transformer T1

ditanahkan, main voltage berasal dari variable-voltage transformer, Ujung terminal sekunder

T1 (d1) juga ditanahkan, sedangkan terminal outputnya yang berasal dari c1 dan e1

dihubungkan ke primer T2 (a2b2). Dari bentuk kaskade 2 buah trafo, maka akan dihasilkan

tegangan output sebesar 400 kV terhadap tanah (c2d1).

Kontrol tegangan pada trafo uji

Semua bentuk pengujian, merekomendasikan agar tegangan uji yang diberikan

bergerak naik secara gradual dan smooth dari nilai 0 hingga pada level tegangan uji. Keadaan

ini dapat dilakukan dalam beberapa cara. Yaitu: menggunakan slider resistance control

sebagaimana yang diperlihatkan pada gambar 4.3, menggunakan tapped transformer

sebagaimana terlihat pada gambar 4.4, menggunakan induction regulator sebagaimana

terlihat pada gambar 4.5.

Untuk trafo uji yang kecil dengan output daya dibawah 5 kVA, control resistance mempunyai

keuntungan, selain murah, mudah, distorsi bentuk gelombang tegangannya pun kecil.

Sedangkan untuk unit dengan kVA yang besar, Large size dan cost of resistance bersama-

sama dengan rugi-rugi daya merupakan hal yang tidak menguntungkan.

Gambar 4.4. Menggambarkan metode control output tegangan tinggi yang akurat.

Primer dari trafo uji dihubungkan dengan tap-tap yang yang tedapat pada sisi sekunder trafo

regulasi. Untuk menghindari surja pada output tegangan tinggi berkenaan dengan terbukanya

sisi sekunder pada trafo regulasi akibat perpindahan tap, digunakan two contact brushes,

brushes berhubungan dengan adjacent studs dan buffer resistance, atau reactance coil,

Keadaan yang demikian ini mencegah terjadinya short circuit pada bagian kumparan

transformer. Keuntungan dari metode ini, selain efisiensinya tinggi, distorsi bentuk

gelombangnya kecil, namun regulasinya tidak smooth kecuali jika menggunakan jumlah tap

yang banyak. Untuk trafo uji pada heavy duty, regulator induksi dapat digunakan untuk

mengontrol input tegangan pada trafo uji, sebagaimana diperlihatkan pada gambar 5.

Rangkaian resonansi seri

Rumus-rumus bagi impedansi yang mengandung L atau C menunjukkan, bahwa

modulus maupun sudut fasa suatu impedansi merupakan fungsi dari frekwensi sudut ω .

Misalnya untuk impedansi rangkaian seri R dan L, terlihat bahwa impedansi (Modulus)

makin besar dengan bertambahnya frekwensi, sedangkan fasanya makin mendekati 90o.

Olehkarena itu rangkaian semacam ini makin sukar melalukan arus dengan frekwensi yang

tinggi.

Sebaliknya impedansi rangkaian seri R dan C, terlihat bahwa impedansi (Modulus)

makin kecil dengan bertambahnya frekwensi dan sudut fasanya semakin mendekati -90o .

Dengan demikian rangkaian semacam ini makin mudah melalukan arus dengan frekwensi

yang tinggi .

Untuk itu rangkaian yang mengandung R, L dan C, dapat diharapkan impedansinya

tidak naik terus atau turun terus bila ω dinaikkan seperti pada kedua contoh diatas,

melainkan menurut fungsi ω yang mungkin mengandung sejumlah maxima dan minima.

Dari gambar 2.24. dapat dibentuk persamaannya sebagai berikut:

Z=R+ jωL+1

jωC=R+ j(ωL−

1ωC

)

|Z|=√R2+(ωL−1ωC

)2

ϕ=arc tg (ωL−

1ωC

R)

Dari persamaan diatas, terlihat bahwa baik frekwensi-frekwensi yang sangat tinggi maupun

rendah, Z menjadi sangat besar. Namun demikian bila ωL− 1

ωC = 0, maka ϕ = 0 dan Z = R.

Keadaan ini merupakan harga minimum bagi Z. Sedangkan harga frekwensi sudut untuk

keadaan ini adalah:

ωL=1ωC

→ω=1

√ LC

2 πf =1

√ LC→ f =1

2 π √LC

Keadaan ini disebut sebagai keadaan resonansi, yaitu keadaan dimana diperoleh arus yang

maximum (karena Z minimum), dan frekwensi bergantung pada nilai L atau C. Bila

ωL< 1ωC maka ϕ negative, dan rangkaian bersifat kapasitif. Sebaliknya bila

ωL> 1ωC

maka ϕ positif, dan rangkaian bersifat induktif.

Rangkaian resonansi seri pada pembangkitan tegangan tinggi

Gambar dibawah adalah diagram sederhana dari rangkaian resonansi seri. Objek uji berupa

kabel yang dapat direpresentasikan sebagai sebuah kapasitansi dan terhubung seri dengan

moving coil reactor yang direpresentasikan sebagai induktansi, yang dapat diubah-ubah

untuk mengimbangi impedansi beban kapasitif pada frekwensi daya. Rangkaian resonansi

seri yang terbentuk akan membangkitkan tegangan tinggi ketika dieksitasi oleh regulator

tegangan dari main supply.

Atau dalam bentuk rangkaian eqivalen, digambarkan sebagai berikut:

Dari gambar 6.12.a, dan 6.12.b. dapat dilihat bahwa rangkaiannya membentuk resonansi seri

pada freqwensi daya ω , Jika (L1+L2)=1/ω C, maka arus pada obyek uji menjadi sangat

besar dan hanya dibatasi oleh resistansi rangkaian. Bentuk gelombang tegangan pada obyek

uji merupakan sinusoidal murni. Adapun besar tegangan yang melalui capasitasi C pada

obyek uji dirumuskan sbb:

V C=|− jVXC

R+J ( XL−XC )|=V

RXC= V

ωCR

Faktor XC/R=1/ω CR merupakan factor Q pada rangkaian dan memberikan kenaikan

tegangan pada object uji pada kondisi resonansi. Olehkarena itu tegangan input yang

dibutuhkan untuk exitasi diturunkan sebesar factor 1/Q dan output kVA juga diturunkan

sebesar factor 1/Q. Faktor daya rangkaian pada sisi sekunder adalah satu.

Prinsip yang ada pada resonansi seri dipakai untuk pengujian tegangan yang sangat

tinggi dan pada keadaan yang membutuhkan output arus yang besar seperti pada pengujian

kabel, pengukuran dielectric loss, pengukuran partial discharge.