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 = 1T∫0

T

V 2 (t) dt

Untuk pengujian tegangan tinggi besaran V ¿ /√2 didefinisikan sebagai tegangan uji. Di sini diandaikan bahwa penyimpangan bentuk tegangan tinggi dari bentuk sinus masih dalam batas yang diijinkan. Untuk sinusoidal murni V ¿ /√2 = 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 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.

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 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.

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 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.

B. PENGUKURAN TEGANGAN TINGGI ACPengukuran 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 ω dari tegangan AC,

impedansi dari resistansi R adalah:

Z= R+ jωL

(1−ω2 LC )+ jω CR (1)

Jika ω L dan ω C kecil dibandingkan R, maka:

Z= R[1+ j(ωLR

−ωCR)](2)

Dan total sudut phasanya adalah:

tan φ=(ωLR

−ωCR)(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:

I c= jω CV (5)

Dimana: C = Kapasitansi dari series capacitor

ω = 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= √V

12+ V22+V

32+.. .+Vn2 (6)

V1,V2,…Vn mempresentasikan nilai fundamental rms, harmonic ke 2 …dank e n

Arus berkenaan dengan harmonisasi ini adalah:

I 1= ωCV 1

I 2= 2ωCV 2 , . .. .I n= nωCV n

(7)

Olehkarenanya, resultante arus rms adalah:

I= ωC (V1

2+4 V22+.. .+n2V

n2 )

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:

V 1= V 2 (C1+C2+C3

C1)

(9)

Dimana Cm adalah kapasitansi meter , V2 merupakan pembacaan meter

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