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
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
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:
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|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.