DASAR TEORIPEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI AC DAN DC

Pada dasarnya tegangan tinggi AC banyak digunakan pada sistem distribusi dan juga transmisi. Di setiap lab tegangan tinggi sering dilakukan pengetesan insulasi/ isolator dengan menggunakan tegangan tinggi AC (HVAC) sebesar 10kV 1.5 MV rms. Secara umum tegangan tes pada benda uji tegangan tinggi berada pada frekuensi daya nominal. Tetapi ini tergantung juga pada jenis benda yang akan diuji seperti contohnya pada gulungan inti besi yang frekuensinya harus dinaikkan sampai batas ambang saturasi (kejenuhan) inti besi tersebut. Pembangkitan variabel frekuensi tegangan membutuhkan biaya yang mungkin saja mahal.Walaupun pada sistem transmisi menggunakan sistem 3 fasa, tes tegangan yang dilakukan biasanya dilakukan satu fasa ke tanah. Tes tegangan tinggi selalu menggunakan beban kapasitif dengan disipasi daya yang rendah. Pengetesan dapat dilakukan dengan menggunakan rumus berikut:k = kapasitansi tambahan untuk tes dan factor keselamatabnPn = rating daya(KVA)Vn = tegangan nominal (rms)Ct = kapasitansi peralatan yang di tesCt dapat berganti sesuai jenis alat yang di tes. Berikut ini adalah nilainya :

Alat yang di-tesNilai Ct

Simple post atau suspension insulatorSekitar 10pF

Bushing, simple & graded~ 100 1000 pF

Potential transformer (PT)~ 200 500 pF

Power transformer (Trafo daya)< 1000 kVA> 1000 kVA~ 1000 pF~ 1000 10000 pF

Kabel tegangan tinggi: Dengan isolasi kertas minyakDengan isolasi gas~ 250 300 pF/m~ 60 pF/m

Metal clad substation, isolasi dengan SF6~ 1000 10000 pF

Hal lain yang perlu diperhatikan didalam pengetesan tegangan tinggi adalah :1. Ukuran benda tes harus bisa sekecil mungkin untuk keterbatasan ruangan dan juga mahalnya alat.2. Seberapa sering alat tersebut akan di-tes untuk pengujian.3. Kemudahan alat tersebut untuk dipindahkan. Bebannya sebisa mungkin harus ringan.Ada dua metode utama yang biasa dilakukan untuk membangkitkan tegangan tinggi AC untuk tes.1. Testing Transformer (Tes Trafo)Trafo yang digunakan disini adalah jenis trafo satu fasa yang bekerja pada frekuensi yang sama dengan benda yang di-tes (50 atau 60 Hz).Berikut ini adalah konstruksi dari trafo 1 fasa yang digunakan :Ada inti besi yang digunakan diantara sisi primer dan sekunder. Pada gambar no.2 dikenakan tegangan rendah < 1kV atau bisa juga diperlakukan sesuai yang diinginkan. Gambar no.3 adalah sisi tegangan tinggi. Lebih jelasnya dapat dilihat dari gambar berikut ini :Bushing yang berfungsi menyalurkan tegangan keluar. Tegangan dari sini akan disambungkan ke benda yang di-tes melalui sebuah kabel koaksial. Pada konstruksi trafo diatas memang dapat mengurangi tingginya, tetapi dengan konstruksi semacam ini perpindahan panas dari dalam keluar menjadi lebih buruk. Hal ini dapat diatasi dengan pengisian minyak trafo yang berkualitas atau biasanya isolator kertas minyak. Konstruksi diatas dibuat bersekat dan pada sisi primer dekat dengan inti besi yang mengitari lilitan tegangan tinggi. Susunan koaksial ini dapat mengurangi rugi-rugi fluks magnetik. Diantara lilitan terakhir (dekat shield) satu lilitan disusun di layer yang terisolasi satu sama lain oleh material padat (kertas kraft).Sangat sulit untuk membuat tegangan >100 kV hanya dengan satu gulungan. Hal ini dapat diatasi dengan menciptakan trafo berbentuk cascade. Trafo cascade diciptakan dengan cara menaruh dua lilitan tegangan tinggi ke inti besi secara seri antar lilitan. Prinsip kerjanya adalah tegangan rendah dihubungkan ke sisi primer trafo. Lilitan eksisting mendapat supply dari trafo kedua dan tercipta tegangan potensial awal. Lilitan tegangan tinggi lalu dihubungkan secara seri dan terjadilah 2 kali tegangan semula.Kekurangan dari trafo ini adalah beban berat yang terletak di lilitan primer. Dibutuhkan dimensi yang cukup memadai di sisi primer dan eksisting karena beban yang didapatkan. Untuk tes isolasi, bebannya adalah beban kapasitif yang dikompensasi oleh reactor tegangan rendah (LV) yang diparalel ke sisi primer. Tanpa kompensasi, kelebihan beban akan terjadi di rangkaian.Trafo ini sering digunakan pada tes tegangan tinggi di kebanyakan lab. Rangkaian ekivalen dari trafo ini terdiri dari trafo yang dibebani oleh beban kapasitif yang dipasang secara resonansi seri.2. Rangkaian Resonansi SeriPenyetelan ini dilakukan untuk mengetes datangnya resonansi secara tiba-tiba dan juga tidak diinginkan dengan cara tes konvensional. Tes konvensional ini tes seperti biasa dengan menggunakan kapasitor seperti halnya pada beban trafo cascade. Pada rangkaian ini muncul (r1 + jL1) yang menunjukkan impedansi pada regulator tegangan dan primer trafo. L menunjukkan impedansi shunt yang biasanya membandingkan L1 dan L2 yang biasanya diabaikan. (r2 + jL2) menunjukkan impedansi sisi sekunder trafo. 1/C menunjukkan impedansi beban. Jika (L1 + L2) = l/C maka akan tercipta resonansi. Resonansi ini akan berakibat bahaya pada tegangan tinggi. Hal ini akan menyebabkan ledakan parah pada tes kabel. Resonansi suatu harmonisa juga terjadi, yaitu harmonisa arus yang terjadi di inti besi. Resonansi ini tidak begitu berbahaya tetapi harmonisa ke-3 akan mengganggu fundamentalnya dan menyebabkan distorsi gelombang.

Beberapa keuntungan dari rangkaian resonansi seri :1. Gelombang tegangan bertambah tidak hanya menghilangkan resonansi yang tidak diinginkan, tapi juga harmonisa yang terdapat di sumber.2. Daya yang dibutuhkan lebih kecil daripada di rangkaian inti tes.3. Jika terjadi kegagalan dalam tes benda, tidak ada daya besar yang tercipta karena akan segera dibuang (discharge) oleh kapasitor beban.4. Sistem seri/ paralel reaktor trafo lebih mudah dan sangat efisien.5. Banyak sudut yang dapat tercipta dengan alat auto-tuning yang di-set untuk pengesetan.Hal yang kurang menguntungkan dari rangkaian ini adalah disisi efisiensi tempat (berat dan ukuran). Hal ini dikarenakan beratnya 2 kali lipat. Pengetesan untuk mesin besar ataupun GIS membuat rangkaian ini perlu untuk dikecilkan. Hal ini dapat dilakukan dengan cara membuat rangkaian resonansi jenis lain dengan menambahkan induktor sebagai choke. Kapasitor juga harus diganti dengan jenis kapasitor yang dapat dirubah ukurannya (variabel) agar tidak ada batasan pengaturan. Kerugiannya adalah terjadi rugi-rugi daya reaktif pada rangkaian tes sebesar 2% di Ct.Ct menunjukkan objek tes dan kapasitansi shunt lain sepeti kapasitor pembagi tegangan dan lain sebagainya. Dalam kondisi resonansi frekuensi selalu bernilai : Ln akan didesain sesuai dengan nominal kapasitansi Cn =Ct yang berkapasitansi tinggi yang di-tes dengan rating tegangan V = Vn dan frekuensi nominal fn.Keuntungan dari rangkaian ini adalah :1. Butuh sumber yang kecil saat tes2. Pembuatannya murah dengan frekuensi yang tercipta tinggiRangkaian resonansi seri masih jarang digunakan di lab tegangan tinggi. Rangkaian ini khususnya digunakan untuk menghubungkan dengan sinar X(X-ray) untuk tegangan yang berukuran MV.

Pembangkitan tegangan tinggi DCBahwa tegangan DC akan disebut sebagai tegangan tinggi jika memiliki besaran setidaknya 1500V. Proses pembangkitan tegangan tinggi DC merupakan hasil penyearahan dari tegangan tinggi AC. Penyearahan tersebut dapat dilakukan dengan menggunakan beberapa rangkaian penyearah, seperti berikut: Penyearah setengah gelombang Penyearah setengah gelombang berbeban Penyearah setengah gelombang dua-fasa

Kelebihan:ripple, setengah dari penyearah setengah gelombang dan penggunaan trafo lebih efektif karena terbebani pada kedua setengah gelombangKekurangan:Tegangan blocking pada diode 2 _ p2 _ Ve_Trafo harus diketanahkan tepat pada titik tengahnya

Sirkuit VillardSirkuit Villard terdiri dari sebuah kondensator dan dioda. Walaupun sirkuit ini sangat sederhana, kerut keluarannya sangat buruk. Pada dasarnya, sirkuit ini adalah sirkuit penggenggam dioda. Kondensator diisi hingga tegangan puncak AC (Vpk) pada siklus paruh negatif. Setelah beberapa siklus, semua gelombang AC tersuperimposekan pada keluaran tegangan DC di kondensator. Lembah negatif AC digenggam pada 0V (sebenarnya VF, yaitu tegangan panjar maju dioda), sehingga puncak positif keluaran adalah 2Vpk. Kerut puncak-ke-puncak adalah bentuk gelombang AC 2Vpk dan tidak dapat diperhalus tanpa mengubahnya menjadi bentuk lain.

Sirkuit GreinacherPengganda tegangan Greinacher memberikan banyak perbaikan dari sirkuit Villard hanya dengan menambahkan sedikit komponen. Kerut keluaran sangat dikurangi, bahkan nol pada rangkaian tanpa beban, tetapi saat dibebani, kerut bergantung pada resistansi beban dan kapasitansi kondensator yang digunakan. Sirkuit ini bekerja dengan menambahkan detektor puncak di belakang sirkuit Villard. Detektor puncak mengurangi kerut selain menjaga tegangan puncak pada keluaran. Sirkuit ini ditemukan oleh Heinrich Greinacher pada tahun 1913 (diumumkan tahun 1914) dalam rangka memberikan tegangan 200300 V yang dibutuhkannya untuk ionometer yang baru ditemukannya, tegangan AC 110V yang dicatu stasiun dayaZurich pada saat itu tidak mencukupi. Pada tahun 1920 menyempurnakan idenya ini dengan menyambung banyak pengganda. Aliran sel Greinacher sering disalahartikan sebagai aliran Villard cascade. Ini juga sering disebut sebagai generator Cockcroft-Walton yaitu peranti yang digunakan pada pemercepat partikel yang dibangun oleh John Cockcroft dan Ernest Walton, yang secara terpisah menemukan kembali sirkuit ini pada tahun 1932. Sirkuit Jembatan1. Pengganda tegangan paruh gelombangPengganda tegangan topologi jembatan sering ditemukan pada tabung sinar katoda untuk memberikan catu tegangan. Membangkitkan tegangan lebih dari 5kV dengan transformator pada peralatan rumah menimbulkan kerawanan. Padahal tabung hitam-putih membutuhkan tegangan 10kV dan tabung warna membutuhkan lebih banyak lagi. Sirkuit ini terdiri dari dua detektor puncak paruh gelombang yang identik. Setiap detektor puncak bekerja berlawanan untuk setiap gelombang masukan. Karena keluaran disambungkan berderet, tegangan keluaran adalah dua kali lipat tegangan masukan.2. Pengganda tegangan gelombang penuhVersi sirkuit gelombang penuh memberikan keuntungan antara lain kerut yang lebih rendah, tegangan puncak pada dioda yang lebih rendah dan regulasi beban yang lebih baik, tetapi membutuhkan transformator dengan sadapan tengah dan lebih banyak komponen.Tegangan tinggi dibagi untuk tujuan pengukuran pada sisitim tenaga listrik. Karena alat ukur yang digunakan mempunyai rating arus dan tegangan yang terbatas, maka perlu media tertentu untuk melakukanya. Dan media itu diantaranya adalah : Kapasitor sebagai pembagi tegangan tinggi AC.Sifat kapasitor pembagi tegangan melewatkan arus dan tegangan tinggi AC. Kedua kapasitor diatur nilainya sehingga salah satu dari terminal kapasitor dapat diperoleh tegangan yang diinginkan. Resistor sebagai pembagi tegangan DCKarena kapasitor memblok arus DC maka kapasitor tidak dapat digunakan untuk membagi tegangan tinggi DC, maka resistor dapat digunakan untuk tujuan ini, namun kerugianya adalah kapasitor mendeskripsikan daya berupa panas ( rugi rugi ).