Teknik Tegangan Tinggi

NAMA :DJOHAN PASCARENA

N.I.M : 14041071

DOSEN : Pak. Agus Kiswantono, ST, MT.

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 . Misalnya untuk impedansi  rangkaian seri R dan L, terlihat bahwa impedansi (Modulus) makin besar dengan bertambahnya frekwensi, sedangkan fasanya makin mendekati 90^o. 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 -90^o . 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:

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

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:

Pengujian Tegangan Tinggi

Tegangan tinggi adalah semua tegangan yang dianggap cukup tinggi oleh teknisi listrik, sehingga dibutuhkan pengujian dan pengukuran. Standar tegangan tinggi di dunia umumnya berbeda-beda, tergantung kemajuan negaranya masing-masing. Di Indonesia, level tegangan dibagi menjadi 4 macam, yakni: Tegangan Rendah (220-380 V), Tegangan Menengah (7-20 kV), Tegangan Tinggi (30-150 kV), dan Tegangan Extra Tinggi (500 kV). Untuk transmisi biasa digunakan Tegangan Tinggi dan Extra Tinggi sedangkan untuk distribusi menggunakan Tegangan Rendah dan Menengah.

Pengujian tegangan tinggi perlu dilakukan untuk beberapa tujuan, diantaranya:

§ Menemukan bahan (di dalam atau yang menjadi komponen suatu alat tegangan tinggi) yang kurang baik kualitasnya, atau cara pembuatannya salah.

§ Memberikan jaminan bahwa alat-alat listrik dapat dipakai pada tegangan normalnya dalam jangka waktu yang tidak terbatas.

§ Memberikan jaminan bahwa isolasi alat-alat dapat tahan terhadap tegangan lebih (yang didapati dalam praktek operasi sehari-hari) untuk waktu terbatas.

Pengujian tegangan tinggi dibagi menjadi dua jenis berdasarkan pengaruhnya terhadap bahan yang diujikan, yakni destruktif (merusak) dan non destruktif. Pengujian destruktif terdiri dari tiga tahap.

1. Withstand Test (Uji Ketahanan). Pada tes ini, alat/bahan akan diberikan tegangan dalam jangka waktu tertentu. Jika tidak terjadi lompatan api, maka pengujian dianggap memuaskan.

2. Discharge Test (Uji Pelepasan). Pada tes ini, alat/bahan diberikan tegangan yang lebih tinggi daripada tegangan sebelumnya. Tegangan terus dinaikkan hingga terjadi pelepasan pada benda yang diujikan.

3. Breakdown Test (Uji Kegagalan). Pada tes ini, tegangan yang diberikan terus dinaikkan hingga terjadi kegagalan pada bahan/alat yang diujikan.

Pengujian non destruktif adalah pengujian yang tidak merusak bahan. Contohnya Uji tahanan isolasi, faktor rugi-rugi dielektrik, korona, konduktivitas, medan elektrik, dan lain-lain.

Berdasarkan jenis tegangannya, pengujian tegangan tinggi dibagi menjadi dua jenis, pengujian tegangan tinggi AC dan pengujian tegangan tinggi DC. Untuk tegangan AC, dibedakan berdasarkan frekuensi tinggi atau rendah. Pengujian tegangan tinggi AC frekuensi rendah dilakukan untuk menyelidiki apakah peralatan listrik yang terpasang pada jaringan tegangan tinggi dapat menahan tegangan yang melebihi tegangan operasinya untuk waktu yang terbatas. Hal ini dilakukan karena tidak selamanya tegangan yang diberikan ke peralatan tersebut stabil. Ada kalanya tegangan yang diberikan melebihi batas nominalnya karena putusnya kawat saluran atau hal lainnya.

Pengujian tegangan tinggi AC frekuensi tinggi dilakukan untuk berbagai menguji adanya kerusakan-kerusakan mekanis (keretakan, kantong udara, dan lain-lain) pada isolator, terutama isolator porselen. Tegangan tinggi ini memungkinkan adanya lompatan api pada isolator tersebut. Frekuensi tinggi memungkinkan terjadinya rambatan pada kulit isolator yang diuji. Apabila isolator yang diuji tidak terdapat kerusakan mekanis, maka arus akan merambat melalui permukaan isolator. Apabila isolator yang diuji mengalami kerusakan mekanis, tidak akan terlihat percikan api pada bagian kulit karena arus merambat melalui bagian dalam isolator yang mengalami keretakan (adanya rongga udara).  

Pada tegangan tinggi, terdapat berbagai fenomena-fenomena yang terjadi, diantaranya:

l Sparkover, merupakan peristiwa pelepasan benda akibat tegangan tinggi yang tidak melalui permukaan. Contohnya pada isolasi cair.

l  Flashover, merupakan peristiwa pelepasan benda akibat tegangan tinggi yang melalui permukaan.

l Korona, merupakan peristiwa ionisasi molekul-molekul udara diantara dua kawat sejajar bertegangan tinggi, karena medan listrik yang kuat. Medan listrik itu akan mempercepat elektron, sehingga menumbuk molekul-molekul lain dan mengakibatkan terlepasnya ikatan muatan positif dan muatan negatif.

l Skin effect, merupakan peristiwa mengalirnya arus di kulit konduktor, akibat tegangan dengan frekuensi tinggi.

Salah satu peralatan yang digunakan untuk pengujian ini adalah transformator penguji. Trafo ini berbeda dengan trafo daya. Ciri-ciri trafo penguji antara lain: perbandingan jumlah lilitan lebih besar dibandingkan dengan trafo daya, kapasitas kVA-nya kecil dibandingkan dengan kapasitas trafo daya. Biasanya dipakai transformator satu fasa, karena pengujian dilakukan fasa demi fasa. Karena udara merupakan media isolasi yang paling banyak digunakan dalam teknik tegangan tinggi, perlu diteliti bagaimana karakteristik udara akibat kenaikan tegangan yang diberikan. Hal ini berguna untuk perencanaan instalasi listrik. Kegagalan yang terjadi pada isolasi disebabkan oleh beberapa hal, seperti kerusakan mekanis, isolator yang sudah lama dipakai sehingga berkurang kekuatan dielektriknya, atau karena tegangan lebih. Tegangan tembus dari isolasi udara ini dipengaruhi bentuk elektroda dan juga jarak antar dua elektroda tersebut.

Nilai tegangan tembus akan semakin tinggi apabila jarak antar elektroda semakin besar. Tegangan tembus juga lebih besar saat elektroda yang digunakan bertipe bola-flat.

Pada tipe bola-flat, tegangan tembusnya lebih besar karena bentuk geometris elektroda bola. Bentuknya yang seperti itu menyebabkan distribusi muatan tersebar di seluruh permukaan bola. Elektron akan sulit terlepas dari elektroda ini. Dan untuk melepaskan elektronnya (menyebabkan terjadinya lompatan api), dibutuhkan energi yang besar. Oleh sebab itulah tegangan tembusnya juga semakin besar.

Pada tipe jarum-flat, tegangan tembusnya lebih kecil karena bentuk geometrisnya. Elektron-elektron memiliki kecenderungan untuk berkumpul di titik sudut. Karenanya, tipe jarum ini sangat memungkin elektron-elektron berkumpul di bagian ujung elektrodanya. Elektron akan lebih mudah terlepas dari elektroda dan menimbulkan lompatan api. Sehingga energi yang dapat menyebabkan terjadinya lompatan api tidak terlalu besar dibandingkan bentuk bola, tegangan tembusnya pun lebih kecil.

Untuk pengaruh jarak antar elektroda dan tegangan tembus, berkaitan dengan medan listrik yang berada diantara elektroda. Seperti yang diketahui, medan listrik secara matematis merupakan perbandingan antara tegangan antar elektoda dengan jaraknya. Nilai medan listrik yang menyebabkan terjadinya lompatan api, dipengaruhi oleh karakteristik suhu dan kerapatan udara, sehingga nilainya cenderung tetap. Oleh karena itu, apabila jarak antar elektroda semakin kecil, maka tegangan tembusnya juga semakin kecil. Apabila jarak antar elektroda semakin besar, maka tegangan tembusnya juga besar. Penjelasan lain adalah, apabila jarak antar elektroda kecil, energi yang diperlukan untuk mendorong terjadinya ionisasi diantara dua elektroda itu kecil. Jadi hanya dibutuhkan tegangan tembus yang kecil agar bisa menyebabkan terjadi lompatan api. Sebaliknya jika jarak antar elektroda besar, molekul-molekul udara yang harus diionisasi agar bisa menciptakan lompatan api sangat banyak, membutuhkan energi besar untuk mengionisasinya. Sehingga tegangan tembusnya tinggi.

Peralatan Tegangan Tinggi

Berikut adalah macam-macam peralatan yang dibutuhkan yang digunakan untuk pembangkitan dan pengujian tegangan tinggi.

1.      Ligthning Arrester

Biasa disebut dengan Arrester dan berfungsi sebagai pengaman instalasi (peralatan listrik pada instalasi Gardu Induk) dari gangguan tegangan lebih akibat sambaran petir (ligthning Surge) maupun oleh surja hubung ( Switching Surge ).

2.      Transformator Arus

Trafo digunakan untuk pengukuran arus yang besarnya ratusan amper lebih yang mengalir pada jaringan tegangan tinggi.Jika arus yang mengalir pada tegangan rendah dan besarnya dibawah 5 amper, maka pengukuran dapat dilakukan secara langsung sedangkan untuk arus yang mengalir besar, maka harus dilakukan pengukuran secara tidak langsung dengan menggunakan trafo arus (sebutan untuk trafo pengukuran arus yang besar).Disamping itu trafo arus berfungsi juga untuk pengukuran daya dan energi, pengukuran jarak jauh dan rele proteksi.

3.      Transformator Daya

Transformator Daya adalah suatu peralatan tenaga listrik yang berfungsi untuk menyalurkan tenaga atau daya listrik dari tegangan tinggi ke tegangan rendah atau sebaliknya.

Dalam operasi penyaluran tenaga listrik transformator dapat dikatakan jantung dari transmisi dan distribusi.Dalam kondisi ini suatu transformator diharapkan dapat beroperasi secara maksimal (kalau bias secara terus menerus tanpa berhenri).Mengingat kerja keras dari suatu transformator seperti itu, maka cara pemeliharaan juga dituntut sebaik munkin.Oleh karena itu tranformator harus dipelihara dengan menggunakan system dan peralatan yang benar,baik dan tepat.Untuk itu regu pemeliharaan harus mengetahui bagian-bagian tranformator dan bagian-bagian mana yang perlu diawasi melebihi bagian lainnya.

Berdasarkan tegangan operasinya dapat dibedakan menjadi tranformator 500/150 kV dan 150/70 kV biasa disebut Interbus Transformator (IBT).Transformator 150/20 kV dan 70/20 kV disebut juga trafo distribusi.Titik netral transformator ditanahkan sesuai dengan kebutuhan unutk system pengamanan / proteksi,sebagai contoh transformator 150/70 kV ditanahkan secara langsung di sisi netral 150 kV dan transformator 70/20 kV ditanahkan dengan thanan rendah atau tahanan tinggi atau langsung disisi netral 20 kV nya.

4.      Sakelar Pemutus Tenaga (PMT) atau Circuit Breaker (CB)

Berfungsi untuk menghubungkan dan memutuskan rangkaian pada saat berbeban (pada kondisi arus beban normal atau pada saat terjadi arus gangguan). Pada waktu menghubungkan atau memutus beban, akan terjadi tegangan recovery yaitu suatu fenomena tegangan lebih dan busur api, oleh karena itu sakelar pemutus dilengkapi dengan media peredam busur api tersebut, seperti media udara dan gas SF6.

5.      Regulator Tegangan

Alat ini digunakan untuk mengatur tegangan yang akan masuk ke transformator. Masukannya adalah berupa tegangan AC 220 V satu fasa. Sedangkan keluarannya adalah tegangan AC yang nilainya dapat divariasikan antara 0 sampai 220 V. Keluaran dari regulator tegangan ini akan menuju ke transformator. Berikut adalah gambar regulator tegangan.

Regulator Tegangan Tinggi

6.      Transformator Tegangan Tinggi

Transformator yang digunakan untuk membangkitkan tegangan tinggi adalah trafo step up. Perbandingan tegangan yang dapat digunakan adalah 220 V / 100 kV.Artinya, masukan dari trafo ini adalah 220 V dan keluarannya dapat mencapai 100 kV.

Transformator Tegangan Tinggi

7.      Resistor Tegangan Tinggi

Bila yang akan dibangkitkan adalah berupa tegangan tinggi DC, maka digunakan resistor tegangan tinggi. Selain sebagai beban, resistor ini juga dapat digunakan sebagai pengukur tegangan dengan cara mencuplik tegangan dari resistor tersebut dengan menggunakan resistor ukur kemudian disambungkan dengan Digital Measuring Instrument (DMI). Berikut adalah penggambaran dari resistor tegangan tinggi.

Resistor 280 MOh

8.      Kapasitor Tegangan Tinggi

Bila yang akan dibangkitkan adalah berupa tegangan tinggi AC, maka digunakan kapasitor tegangan tinggi. Seperti halnya pada resistor tegangan tinggi, kapasitor tegangan tinggi juga dapat digunakan untuk mencuplik tegangan sehingga tegangan dari kapasitor dapat diukur dengan menggunakan Digital Measuring Instrument (DMI).Berikut adalah penggambaran dari resistor tegangan tinggi.

Kapasitor Tegangan Tinggi

9.      Elektroda Tegangan Tinggi

Tegangan berlebih yang dibangkitkan oleh trafo dapat menyebabkan kerusakan pada trafo itu sendiri.Oleh karena itu dibutuhkan suatu proteksi untuk menghindari adanya kelebihan tegangan tersebut. Salah satu cara untuk menghindari adanya hal tersebut adalah dengan menggunakan elektroda tegangan tinggi. Bila terjadi tegangan berlebih, maka elektroda tegangan tinggi akan terjadi breakdown. Bila terjadi breakdown, maka Operating Terminal (OT) akan mentrip koneksi regulator ke trafo. Sehingga tidak ada lagi tegangan yang menuju ke trafo.

Elektroda Bola - Jarum

10.  Digital Measuring Instrument (DMI)

Untuk mengukur tegangan pada saat pembangkitan tegangan tinggi, dapat digunakan suatu alat ukur yang dinamakan dengan Digital Measuring Instrument (DMI).Alat ini dapat mengukur tegangan tinggi AC, DC maupun impuls.Berikut adalah penggambaran dari Digital Measuring Instrument (DMI).

Digital Measuring Instrument (DMI)

11.  Operating Terminal (OT)

Regulator tegangan yang digunakan pada pembangkitan tegangan tinggi, tidak mungkin diatur (dinaikkan/diturunkan tegangannya) dengan tangan langsung.Untuk itu, digunakanlah suatu alat khusus yang dapat mengatur regulator tegangan dari jarak jauh, yaitu Operating Terminal.  Selain dapat menaikkan dan menurunkan tegangan regulator tegangan, OT juga berlaku sebagai saklar untuk tegangan yang akan masuk ke regulator dan yang akan masuk ke trafo. Dan juga, OT bertindak pula sebagai pengaman/ alat proteksi. Jika terjadi breakdown pada elektroda tegangan tinggi, maka saklar tegangan yang akan masuk ke trafo terputus. Berikut adalah penggambaran dari Operating Terminal (OT).

Operating Terminal (OT)

12.  Peralatan Grounding

Tegangan yang ditumpu oleh peralatan-peralatan diatas, termasuk dalam tegangan tinggi, maka arus sisa pada peralatan diatas pun juga memiliki nilai yang tinggi. Untuk menghindari adanya kecelakaan pada orang yang akan menyentuh peralatan tersebut

Peralatan Grounding

Close Up Grounding Peralatan

13.   Dioda Tegangan Tinggi

Dioda Tegangan Tinggi ini digunakan pada rangkaian pembangkit tegangan tinggi DC.Berfungsi untuk menyearahkan tegangan AC yang keluar dari trafo tegangan tinggi menjadi tegangan DC.

Dioda Tegangan Tinggi

14.  Resistor Pengaman

Untuk mencegah arus balik yang tinggi yang dapat merusak trafo, maka dapat digunakan resistor pengaman.Resistor ini dipasang antara trafo dengan resistor pembangkitan dan biasanya memiliki nilai 10 sampai 20 MOhm.

Resistor Pengaman

15.  Peralatan Pengaman

Untuk melindungi pekerja atau orang yang sedang berhubungan dengan peralatan tegangan tinggi, dapat digunakan sepatu pengaman (safety shoes). Berikut adalah penggambaran dari safety shoes

Safety Shoes