PENDAHULUAN Pengukuran tegangan tinggi berbeda dengan pengukuran tegangan rendah, sehingga perlu penjelasan khusus mengenai pengukuran ini. Ada tiga jenis tegangan tinggi yang akan diukur dalam pengujian tegangan tinggi, yaitu tegangan tinggi bolak-balik, tegangan tinggi searah, dan tegangan tinggi impuls. Pengujian tegangan tinggi pada umumnya diperlukan untuk mengetahui apakah peralatan tegangan tinggi yang diuji masih memenuhi standar kualitas dan kebutuhan yang dispesifikasikan pada peralatan tersebut. Lingkup studi teknik tegangan tinggi mencakup semua masalah seperti studi tentang korona, teknik isolasi, tegangan lebih pada sistem tenaga listrik, proteksi tegangan lebih, dan lain-lain. Dengan begitu banyaknya masalah yang mencakup tegangan tinggi, maka dibutuhkanlah pengujian tegangan tinggi dengan maksud sebagai berikut: 1. Untuk meneliti sifat-sifat listrik dielektrik yang baru ditemukan, sebagai usaha dalam menemukan bahan isolasi yang lebih murah. 2. Untuk verifikasi hasil rancangan isolasi baru, yaitu hasil rancangan yang telah dikurangi volume isolasinya. 3. Untuk memeriksa kualitas peralatan sebelum terpasang, hal ini dilakukan untuk menghindarkan kerugian bagi pemakai peralatan. 4. Untuk memeriksa kualitas peralatan setelah beroperasi dalam rangka mengurangi kerugian semasa pemeliharaan. Perlunya pengujian tegangan tinggi seperti diuraikan di atas menuntut adanya cabang studi tegangan tinggi yang membahas khusus pengujian tegangan tinggi. Studi ini akan mempelajari cara kerja dan karakteristik peralatan-peralatan uji tegangan tinggi dan prosedur pengujian yang telah distandarisasi. Adapun peralatan-peralatan yang dibutuhkan untuk pengujian tegangan tinggi adalah: 1. Pembangkit tegangan tinggi yang terdiri atas: pembangkit tegangan tinggi ac, pembangkit tegangan tinggi dc, dan pembangkit tegangan tinggi impuls. 2. Alat ukur tegangan tinggi yang terdiri atas alat ukur tegangan tinggi dc, alat ukur tegangan tinggi ac, dan alat ukur tegangan tinggi impuls. 3. Alat pengukur sifat listrik dielektrik, antara lain alat ukur rugi-rugi dielektrik, alat ukur tahanan isolasi, alat ukur konduktivitas, dan alat ukur peluahan parsial.
BAB 1 Tegangan Tinggi AC Dalam laboratorium diperlukan tegangan tinggi bolak-balik untuk percobaan dan pengujian dengan arus bolak-balik serta untuk membangkitkan tegangan tinggi searah dan pulsa. Trafo uji yang biasa digunakan untuk keperluan tersebut memiliki daya yang lebih rendah serta perbandingan belitan yang jauh lebih besar daripada trafo daya. Arus primer biasanya disulang dengan ototrafo sedangkan untuk kasus khusus disulang dengan pembangkit sinkron. Hampir semua pengujian dan percobaan dengan tegangan tinggi bolak-balik mensyaratkan nilai tegangan yang teliti. Hal tersebut umumnya hanya akan terpenuhi jika pengukuran dilakukan pada sisi tegangan tinggi; untuk itu telah disusun berbagai cara dalam mengukur tegangan tinggi bolak-balik. Bentuk V(t) untuk tegangan tinggi bolak-balik sering menyimpang dari bentuk sinus. Dalam teknik tegangan tinggi, nilai puncak Vˆ dan nilai efektif Vef memiliki arti yang sangat penting :
Vrms =
∫
(t) dt
Untuk pengujian tegangan tinggi besaran √ didefinisikan sebagai tegangan uji. Di sini diandaikan bahwa penyimpangan bentuk tegangan tinggi dari bentuk sinus masih dalam batas yang diijinkan. Untuk sinusoidal murni √ = Vrms
A. 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
1. 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. 2. 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).
3. 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 bersamasama 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.
4. 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 . 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
dinaikkan seperti pada kedua contoh diatas,
melainkan menurut fungsi yang mungkin mengandung sejumlah maxima dan minima.
Dari gambar 2.24. dapat dibentuk persamaannya sebagai berikut: 1 Z R jL 1 R j(L ) jC C 1 2 Z R 2 ( L ) C 1 L C ) arc tg( R
Dari persamaan diatas, terlihat bahwa baik frekwensi-frekwensi yang sangat tinggi maupun rendah, Z menjadi sangat besar. Namun demikian bila L
1 = 0, maka = 0 dan Z = R. C
Keadaan ini merupakan harga minimum bagi Z. Sedangkan harga frekwensi sudut untuk keadaan ini adalah:
1 1 C LC 1 1 2f f LC 2 LC
L
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
L
1 1 maka negative, dan rangkaian bersifat kapasitif. Sebaliknya bila L C C
maka positif, dan rangkaian bersifat induktif.
5. 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 , Jika (L1+L2)=1/ 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: VC
jVX C V V XC R J (X L X C ) R CR
Faktor XC/R=1/ 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.
B. PENGUKURAN TEGANGAN TINGGI AC Pengukuran tegangan tinggi AC menggunakan metode konvensional seperti: series impedance voltmeters, potential divider, potensial transformer, atau electrostatic voltmeters. Akan tetapi designnya berbeda dibanding meter-meter tegangan rendah, misalnya pada design isolasinya. Jika hanya dibutuhkan pengkuran nilai puncak, maka peek voltmeters dan sphere gap dapat digunakan. Pengukuran AC frekwensi tinggi , semuanya menggunakan potential dividers dengan cathode ray ascillograph untuk merekam bentuk gelombang tegtangan. Sphere gaps digunakan jika nilai yang dibutuhkan hanya nilai tegangan puncak dan juga untuk keperluan kalibrasi. 1. Series Impedance Voltmeter Untuk pengukuran frekwensi daya, series impedance dapat berupa resistansi murni atau reaktansi. Jika resistansi menyebabkan rugi-rugi daya, biasanya capasitor dijadikan sebagai series reactance. Dan residual inductance pada resistansi mengalami kenaikan pada impedansi yang berbeda dari resistansinya. memberikan Selain itu pula untuk resistansi yang tinggi, variasi resistansi terhadap temperature merupakan masalah. Reaktansi yang tinggi untuk tegangan tinggi memiliki stray capacitance dan karenanya resistansi mempunyai rangkaian eqivalen seperti pada gambar 7.1. Untuk setiap frekwensir dari tegangan AC, impedansi dari resistansi R adalah: Z
R jL
(1)
(1 2 LC ) jCR
Jika L dan C kecil dibandingkan R, maka:
L Z R 1 j CR R Dan total sudut phasanya adalah:
(2)
L tan CR R
(3)
Kondisi ini dapat dibuat 0 dan tidak bergantung pada frekwensi, jika: L/C = R2
(4)
2. Series Capacitance Voltmeter Series capacitor digunakan sebagai pengganti resistor untuk pengukuran tegangan tinggi AC. Diaagram skematik ditunjukkan pada gambar 7.10. Arus Ic yang melalui meter adalah: Ic jCV
Dimana:
(5)
C = Kapasitansi dari series capacitor = Frekwensi sudut, dan
V = Tegangan AC yang diterapkan Jika tegangan AC mengandung harmonic, maka akan terjadi perubhan pada series impedance. Nilai tegangan rms V dengan harmonic diberikan oleh persamaan:
V V12 V22 V32 ... Vn 2
(6)
V1,V2,…Vn mempresentasikan nilai fundamental rms, harmonic ke 2 …dank e n
Arus berkenaan dengan harmonisasi ini adalah:
I1 CV1 I 2 2CV2 ,.... I n nCVn (7) Olehkarenanya, resultante arus rms adalah:
I C(V12 4V22 ... n 2Vn 2 )1 / 2
(8)
Dengan 10% harmonic kelima, maka arusnya adalah 11.2% lebih tinggi, dan karenanya errornya 11.2% pada pengukuran tegangan. Metode ini tidak direkomendasi jika tegangan ac bukan gelombang sinusoidal murni.
3. Capasitance Potential Dividers and Capacitance Voltage Transformers Error berkenaan dengan tegangan harmonic dapat dieliminasi dengan mengunakan Capacitive Voltage dividers dengan Volmeter elektrostatis atau meter impedansi tinggi. Jika meter dihubungkan melalui long cable, maka kapasitansinya harus dimasukkan dalam perhitungan. Biasanya, kapasitor yang digunakan sebagai C berupa tekanan udara atau gas standar (gambar 7.11), dan C2 merupakan kapasitor besar (mica, paper, atau capasitor dengan rugi-rugi yang kecil). C1 merupakan kapasitor 3 terminal dan dihubungkan dengan C2 melalui shielded cable, dan C2 completely shielded yang berada dalam box untuk menghindari stray capacitance. Tegangan yang diterapkan dirumuskan dengan:
C C2 C3 V1 V2 1 C1 Dimana Cm adalah kapasitansi meter , V2 merupakan pembacaan meter
(9)
Adapun ihtisar dari pengukuran bolak balik dapat dilihat pada tabel dibawah ini;
C. PERBEDAAN TEGANGAN AC, DC, IMPULS
A. TEGANGAN AC
B. TEGANGAN DC
C. TEGANGAN IMPULS
Lampiran
Peralatan Pengukuran Tegangan AC
Control BOX
Alat Ukur Voltmeter Elektrostatik
