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.
2.2.2 Perhitungan Besaran Besaran Tegangan lrnpuls
Rangkaian Tipe 1 dapat dijelaskan secara matematis dengan persamaan diferensial berikut.
Persamaan menggunakan transformasi Laplace dan dengan bantuan Gambar 4.5.
Persamaan diferensial ini dapat diselesaikan dcngan hukum eksponensial. Kondisi mula yang
harus diperhatikan adalah saat waktu t = 0, tegangan pada Cs adalah UL dan tegangan pada CB
bernilai 0. Penyelesaiannya menjadi:
Dari persamaan yang telah diuraikan dapat dilihat bahwa gelombang impuls terbentuk dari
dua buah persamaan ekponensial yang secara grafis dapat dilihat pada Gambar 4.6 Dari
analisa tersebut di atas, nilai 30% dan 90% dari tegangan puncak juga harus diperhitungkan.
Sehingga akan diperoleh nilai waktu ke puncak dan waktu punggung besaran tegangan tinggi
impuls. Secara pendekatan praktis di peroleh
Dari persamaan tersebut dapat dilihat bahwa waktu ke puncak. Ts dipengaruhi oleh tahanan
redam RD dan rangkaian serta CS dan CB. Sedangkan untuk waktu punggung dipengaruhi
olejh tahanan peluahan RE dan rangkaian pararel dari CB dan Cs. Efisiensi diperoleh dari
perpindahan muatan.
Semua persamaan tersebut diatas adalah untuk rangkaian tipe 1. Untuk tipe 2 diperoleh:
Untuk tegangan impuls kontak dengan besaran waktu 250/2500 µs faktor pengali yang
dipergunakan tidak lagi 2,96 dan 0,73 melainkan 2,41 dan 0,87.
2.2.3 Induktansi parasit
Pada rangkaian tegangan tinggi disamping keberadaan stray kapasitansi tidak dapat
dihindarkan pula dengan keberadaan induktansi parasit. Induktnsi parasit pada kapasitor
impuls (yang membedakan baik dan buruknya generatol impuls) dan pada kabel yang
menghubungkan ke kapasitansi beban salam hal ini test obyek harus diatur.
Besar induktansi dalam sebuah kapasitor impuls secara umum tidak dapat kita ubah
(kecuali melakukan pemilihan yang baik saat penibelian) akan tetapi kita dapat mengurangi
indukatansi kabel dengan cara memperpendek rangkaian pongujian (rangkaian pcngujian
yang kompak). Untuk keperluan analisis pengaruh induktansi tersebut dapat diganti dcngan
menggunakan induktansi terpusat seperti pada Gambat.4.7.
2.3 Rangkaian Pelipatganda
Untuk membangkitkan tegangan impuls yang lebih besar dari 300kV tanpa pengecualian
selalu menggunakan rangkaian pelipatgandaan tegangan menurut Marx yang sering disebut
dengan generator Marx. Prinsip dari rangkaian ini adalah beberapa kapasitor impuls termuati
secara parallel pada tegangan pemuatan VL, dan melalui kontak sela bola akan terhubung dan
membuang muatan secara seri pada beban.
2.3.1 Rangkaian Pengganti Generator Marx
Proses pemuatan
Kapasitor impuls Cs akan termuati pada tegangan VL, oleh trafo tegangan tinggi dan diode
melalui tahanan pemuatan R’L, tahanan redam .R'D dan tahanan peluahan .R'E. Agar semua
kapasitor impuls termuati dengan tegangan pemuatan VL yang sama maka tahanan depan RL0
˃ R’L agar pemuatan jauh lebih lambat dari konstanta waktu pemuatan masing masing
kapasitor (TL ~ R’L . CS) pada setiap tingkat. Tahanan pemuatan RL diperlukan untuk
memisahkan setiap tingkatan setelah penyalaan kontak sela bola. Nilai tahanan pemuatan R’L
dibuat sedemikian rupa agar saat pemuatan seolah terhubung singkat dan saat penyalaan
kontak sela bola seolah terbuka. Nilai minimal dari R’L harus memperhitungkan konstanta
waktu untuk tegangan impuls kontak (T2 :2500µs). Nilai konstanta waktu pemuatan
umumnya pada orde TL ~ 20 ms. Sehingga jika nilai kapasitor impuls diketahui (nilai tipikal
0,5 ... 2µF) maka nilai R’L dapat diketahui. Pemuatan harus sedemikan lambat sehingga
tingkat ke n pun termuati secara penuh dengan tegangan pemuatan yang diinginkan. Waktu
pernuatan urnumnya berkisar pada 30 s .2 min.
Penyalaan kontak sela bola
Setelah semua kapasitor impuls termuati dengan nilai tegangan yang diinginkan, maka kontak
sela bola tingkat terbawah akan ditrigger. Pada kontak sela bola yang lain akan terjadi
tegangan lebih sesaat akibat proses transient, sehingga seluruh kontak sela bola akan
mengalami penyalaan secara bersamaan. Potensial pada titik 2 yang semula nol akan
meningkat seperti tegangan pada titik 1 yang sama dengan VL. Sehingga pada titik 3 akan
mempunyai potensial 2.VL. Pada titik sisi tegangan tinggi akan bernilai n.VL. Kapasitansi
benda uji akan termuati melalui tahanan redam R’D. Secara bersamaan peluahan sudah
dimulai melalui R’E pada setiap tingkat.
2.3.2 Perhitungan besaran besaran impuls pada generator Marx
Besaran besaran impuls pada generator Mark dapat diperoleh dengan membawa rangkaian
generator Marx kembali pada rangkaian tipe 1. Perhitungan perhitungan dilakukan dengan
menggunakan nilai nilai efektif komponen komponen rangkaian tersebut.
Kapasitansi kapasitor impuls efektif, Cs dihitung dari Cs = C’s/n, karena kapasitor
impuls tehubung secara seri.
Tegangan pemuatan efcktif VL adalah V’L .n
Tahanan redam efektif, RD diperoleh dari n. R'D (karena terhubung seri)
Tahanan peluahan efektif RE = n. R'E
Perhitungan parameter tegangan impuls Ts,TR dilakukan seperti rangkaian satu tinggat
dengan menggunakan nilai nilai efcktif komponen generator impuls. Pada generator impuls
bertingkat harus di perhatikan bahwa kapasitansi efektif kapasitor impuls berkurang dengan
meningkatnya jumlah tingkat generator impuls. Umumnya dalam pengujian menggunakan
tegangan impuls tidak menggunakan kapasitas tegangan secara penuh, sehingga ada
kemungkinan untuk mnengurangi tingkatan generator impuls, artinya tegangan tinggi tidak
diambil dari titik 2n tetapi misalnya pada titik 4 atau 6. Dengan variasi rangkaian ini harus
diperhatikan bahwa RL pada tingkatan yang tidak dipergunakan harus dilepas dan kapasitor
impuls harus dihubungsingkatkan.
Variasi B: 5 tingkat
Variasi B mempunyai perbandingan kapasitansi impuls efektif dengan kapasitansi beban jauh
lebih besar dari variasi A (B : Cs/CB = 20 dan A: Cs/CB: 5,56). Hal ini mempermudah
menjaga parameter tegangan irnpuls Ts,TR berada pada tolcransinya dibandingka,n dcngan
variasi A. Kekurangan dengan mengurangi tingkatan generator impuls adalah kapasitor
impuls termuati dengan tegangan pemuatan lebih tinggi. Karena masa pakai kapasitor impuls
(jumlah pemuatan dan peluahan) meningkat secara tid.ak proporsional dengan berkulangnya
tegangan pemuatan. Schingga disarankan menggunakan tingkat sebanyak mungkin. Secara
praktis sebaiknya menggunakan tingkat sebanyak mungkin tetapi parameter tegangan impuls
tetap terjaga pada toleransinya.
2.3.3 Induktansi Parasit
Seperti juga pada generator impuls satu tingkat, induktansi parasit pada rangkaian
pelipatganda tegangan menimbulkan osilasi yang harus diredam. Induktansi total adalah L =
n. L’S + Lkab (L’S = induktansi satu tingkat). Di sini juga berlaku bahwa dengan pengurangan
rangkaian seri perbandingariantara L/CB lebih menguntungkan dibandingkan dengan
rangkaian penuh.
Nilai tipikal Ls berkisar 26 µs per tingkat dan kawat penghubung adalah lµH/m.
Rangkaian osilasi terbentuk darirangkaianC’s – SF – R’D – L’S - C’S - ... R’D – L’S - Lkab –
CB..Rangkaian osilasi tersebut dapat diiihat pada Gambar. 4.9, Disamping rangkaian osilasi
dengan orde frekuensi l MHz ini ada pula osilasi
yang disebabkan oleh stray kapasitansi. Khususnya yang disebabkan oleh stray kapasitansi
antar tingkat yang paralel dengan R’D. Sehingga rangkaian osilasi ini secara keseluruhan
memilili frekuensi yang b-esar (f ~ 3...10 MHz). Osilasi ini teredam oleh tand kapasitor
impuls juga oleh dielektrikum benda uji (CB) dan tahanan peredam R’D. Osilasi akan semakin
nyata dengan makin besarnya R’D. Osilasi yang terjadi pada awal impuls dan mempengaruhi
bentuk gelombang dapat diabaikan karena osilasi pada awal impuis sampai dengan v ˂ 0,5 ṽ
dengan amplitude sampai dengan 25%ṽ masih diijinkan. Osilasi ini dapat dihindari atau di
kurangi clengan mengganti tahanan peredam dengan batang penghantar
(menghubungsingkatkan stray kapasitoiberarti menghilangkan pengaruh stray kapasitor) dan
menggunakan tahanan peredam luar.
2.3.4 Masalah Penyalaan
Pada generator impulse bertingkat, kontak sela bola diatur sedemikian rupa sehingga
tegangan responnya lebih besar (sekitar 5%) dari tegangan pemuatan. Seperti halnya proses
pada generator satu tingkat setelah diperoleh tegangan pemuatan yang diinginkan kontak sela
bola terbawah ditrigger. Sebelum penyalaan kontak sela bola tegangan pada elektrode
tegangan tinggi (titik 2n) berada pada tegangan tanah. Tegangan pada sebuah kapasitor tidak
dapat meningkat secara tiba-tiba, sehingga tepat setelah penyalaan kontak sela bo1a,
tegangan pada titik 2n masih tetap 0. Kontak sela bola terbawah telah ternyalakan, potensial
pada titik 2 menjadi V’L . Jika kita mengabaikan tahanan peredam terhadap tahanan peluahan
R'E, maka tahanan peluahan dari titik 2 sampai titik 2n membentuk rangkaian pembagi
tegangan. Jatuh tegangan pada tahanan peluahan tingkat ke 2 menjadi v = V’L / (n-1).
Tegangan ini terletak seri dengan tegangan ic kapasitor impuls dan ini menyebatrkan
tegangan lebih sesaat pada kontak sela bola. Tegangan lebih ini menurun dengan
meningkatnya jumlah tingkat generator impuls. Mekanisme ini hanya berfungsi hanya sampai
dengan beberapa tingkat generator impuls (sampai dengan 10 tingkat).
Pada kenyataan generator impuls mencapai n = 20. . . 30 tingkat dan kontak sela bola
setiap tingkatnya tetap dapat ternyalakan secara bersamaan. Dengan pengamatan yang lebih
detil, stray kapasitansi ke tanah harus diperhitungkan (CST2E, CST4E , CST6E, dst), artinya
potensial pada titik 2,4,6 dst tidak dapat meningkat secara cepat sesuai dengan konstanta
waktu masing-masing. Pada titik 2 bernilai T2 = R'D . CST2E, untuk titik 4 bernilai T4 = (2R’D +
R’E) . CST4E, dstnya. Dengan bertambahnya jumlah tingkat, stray kapasitansi ke tanah memang
bertamb"ah keJil tetapi konstanta waktu jika dibandingkan dengan tingkat ke 2 tetap lebih
besar karena dengan bertambahnya tingkat, tahanan efektif menjadi lebih besar. Pengaruh
stray kapasitansi ke tanah ini meyebabkan tegangan lebih transien sesaat pada kontak sela
bola tingkat ke 2 dan akhirnya menyebabkan penyalaan pada kontak sela bola ini. Hal ini
akan berlanjut sampai tingkat ke n dengan perbedaan waktu yang dapat diabaikan. Kesulitan
yang paling besar adalah penyalaan tingkat ke 2, karena dengan bertambahnya tingkat,
kondisi untuk penyalaan selalu lebih mudah. Adapun persyaratan utama penyalaan ini adalah
saat terjadinya tegangan lebih elektron mula telah tersedia diantara ruang medan kontak sela
bola. Hal ini diperoleh dengan desain penempatan sela bola yang tepat. Apabila kontak sela
bola ini terlihat satu sama lainnya dalam satu lajur, sinar ultraviolet yang dihasilkan pada
penyalaan kontak sela bola yang pertama menghasilkan elektron mula pada kontak sela bola
tingkat berikutnya, demikian seterusnya. Karikteristik penyalaan generator impuls sangat
dipengaruhi oleh layout instalasi (stray kapasitansi ke tanah) generator impuls, artinya dua
buah generator impuls dengan komponen yang sama tetapi layout penempatan yang berbeda
dapat mempunyai karakteristik penyalaan berbeda.
Pada pembangkitan tegangan impuls kontak pengaruh tegangan iebih pada kontak sela
bola tidak begitu besar seperti pada pembangkitan tegangan impuls petir, karena pada
pembangkitan tegangan impuls petir R’D mempunyai nilai tidak sama yang mana tegangan
pada titik 2 meningkat secara perlahan. Oleh karena itu pida pembangkitan tegangan impuls
kontak, tahanan peredam tingkat terbawah diparalel dengan sebuah kapasitor yang sering
disebut dengan penunjang penyalaan. Kapasitor ini untuk memastikan terjadinya tegangan
lebih pada R’E tingkat ke 2 yang berdampak positif pada karakteristik penyalaan.
Meskipun telah dijelaskan berbagai efek diatas, masalah penyalaan selalu muncul pada
pembangkitan tegangan impuls. Penyebab utamanya adalah waktu pemuatan yang terlalu
pendek. Dalam hal ini tegangan pemuatan pada C’S tingkat lebih tinggi tidak tercapai dan
tegangan lebih transien pada kontak sela bola tidak menyebabkan penyalaan. Hal dapat
diperbaiki dengan memperpanjang waktu pemuatan.
3. Pembangkit Tegangan Tinggi DC
Tegangan tinggi dc banyak dipergunakan pada berbagai bidang penelitian. Tlansmisi tegangan
tinggi dc memperoleh perhatian kembali seiring dengan perkembangan teknologi penyearah
tegangan. Dibidang teknik elektro tegangan tinggi dc umumnya dipergunakan untuk
pengujian peralatan atau komponen-komponen transmisi tegangan tinggi dc. Tegangan tinggi dc
dipergunakan untuk pengujian kabel transmisi "on site" untuk mengetahui keamanan operasi kabel
transmisi yang telah iama dioperasikan. Dalam bidang penelitian fisika kita jumpai penggunaan
tegarrgan tinggi dc pada "particle accelerator" dan mikroskop elektron. Pada bidang teknik
medikal, teknik rontgen dan terapi elcktrik juga menggunakan tegangan tinggi dc. Penggunaan
tegangan tinggi dc di industri dapat kita lihat pada "electrostatic precipitator", "powder
coating", dan juga mesin fotocopy. Tegangan dc umumnya dibangkitkan dcngan mengunakan
rangkaian penyearah (diode) apabila diperlukan arus yang besar.
3.1 Besaran besaran tegangan tinggi DC
Besaran-besaran tinggi dc yang perlu diperhatikan agar sesuai dengan standar tegangan uji
dc adalah sebagai berikut:
1. Polaritas, dalam hal ini polaritas tegangan dc yakni dc positif dan dc negatif memberikan
pengaruh berbeda pada pengujian bahan isolasi tegangan tinggi.
2. Amplitudo, didefinisikan sebagai nilai rata rata aritmatik
4. Ripple, didefinisikans sebagai:
5. Sesuai dengan IEC 60, saat pengujian ripple tidak melebihi 3%.
3.2 Penyearah setengah gelombang
Penyearah setengah gelombang adalah rangkaian yang paling banyak dipergunakan
untuk membangkitkan tegangan tinggi dc. Rangkaian penyearah setengah gelombang dan
bentuk gelombang luaran tanpa beban dapat dilihat pada Gambar. 3.1(a) dan (b). Seiring
dengan peningkatan beban, ripple juga akan mengalami peningkatan, karena kapasitor
penyearah hanya termuati kembali dalam waktu yang lebih singkat.
Gambar Rangkaian penyearah setengah gelombang dan bentuk tegangan luaran tanpa
beban
Tegangan luaran adalah (3.1)
Tegangan kerja diode setidaknya dua kali tegangan dc yang diinginkan. Hal ini disebabkan
karena saat mode balik (reverse mode), diode mendapatkan tegangan positif pada satu sisi
dan tegangan negatif pada sisi yang lain (3.2)
Pembebanan penAearah setengah gelombang
Tegangan Vo > Vz hampir sepanjang gelombang sinus yang berarti diode dalam
keadaan tidak menghantar. Beban menarik muatan dari kapasitor C6 selama Vo ) Vz.Hanya
pada rentang waktu o yang relative pendek Vz ) V,, artinya diode dalam keadaan menghantar
dan kapasitor penyearah akan termuati kembali. Gambar.3.2 menunjukkan rangkaian
penyearah setengah gelombang berbeban dan bentuk gelombang rangkaian tersebut. Saat
diode dalam tidak menghantar arus yang mengalir ke beban adalah IA = VA/R dan
mengambil muatan pada kapasitor penyearah C6.
Gambar Rangkaian penyearah setengah gelombang dan bentuk tegangan luaran berbeban
Dari persamaan tersebut terlihat, ripple bertambah besar seiring dengan peningkatan
arus beban dan dapat dalam hal ini diperkecil dengan memperbesar kapasistansi kapasitor
penyearah atau dengan meningkatkan frekuensi tegangan sumber ac. Penurunan persamaan di
atas mengabaikan jatuh tegangan pada diode dan pada trafo uji tegangan tinggi. Dalam
kenyataan hal tersebut tidak dapat diabaikan, karena trafo uji tegangan tinggi mempunyai
tahanan dalam yang cukup besar. Hal ini menyebabkan tegangan pada C6 saat diode dalam
keadaan menghantar Iebih kecil dari V2 sehingga arus charging yang besar ini menyebabkan
jatuh tegangan pada stray reaktansi trafo uji. Gambar rangkaian dan bentuk gelombang
rangkaian ini dapat dilihat pada Gambar.3.3.
3.3 Penyearah Gelombang Penuh
Pada penyearah gelombang penuh, penggunaan trafo menjadi efektif karena kedua siklus
setengah gelonrtrang terbebani. Ripple pada rangkaian penyearah gelombang penuh dua kali
iebih kecil daripada penyearah setengah gelombang. Rangkaian ini juga mempunyai arus
hantar puncak yang lebih rendah. Ripple rangkaian ini adalah.
Secara umum terdarpat dua jenis penyearah gelombang penuh. Pertama seperti yang ditunjukan pada
Gambar 3.4. Rangkaian ini sering disebut dengan rangkaian titik tengah. Tegangan blocking
diode pada rangkaian ini adalah 2.√ 2.Veff dan trafo harus diketanahkan tepat pada titik
tengahnya. Rangkaian kedua ditunjukan pada Gambar.3.5 dan rangkaian ini disebut dengan
rangkaian jembatan. Tegangan blocking diode hanya ,√ 2 .Veff. Belitan tegangan tinggi trafo
harus diisolasi terhadap tanah sebcsar ,√ 2.Veff.
Gambar 3.3: Rangkaian penyearah setengah gelombang dan bentuk tegangan luaran berbeban
karena jatuh tegangan pada trafo uji tegangan tinggi
3.4 Rangkaian Pelipatganda Tegangan Dc
3.4.1 Rangkaian Delon
Secara prinsip rangkaian delon sama seperti rangkaian penyearah setengah gelombang
akan tetapi pada rangkaian ini tegangan tidak diambil pada kapasitor penyearah tetapi pada
diode. Rangkaian dan bentuk gelombang dari rangkaian delon dapat dilihat pada Gambar.
3.6. Dengan rangkaian ini akan diperoleh tegangan sesaat yang tinggi dengan tegangan
maksimal sebesar Vomax = 2.√ 2.V1eff. Tetapi rangkaianini memiliki ripple yang sangat tinggi
yakni 2. δV / v⃛ = 200%. Rangkaian ini sering dijumpai penggunaannya pada electro
precipitator dan electrostatic painting.
3.4.2 Rangkaian Delon Ganda - Liebenov Greinacher
Rangkaian ini menggunakan dua buah diode dan dua buah kapasitor penyearah.
Tegangan tinggi dc diperoleh dari selisih tegangan pada sisi positif dan sisi negatif. Tegangan
tinggi dc yang diperoleh adalah Vo= 2.√ 2.Veff . Rangkaian dan bentuk gelombang dapat
dilihat pada Gambar. 3.7.
3.4.3 Rangkaian Villard
Gambar.3.8 adalah gambar rangkaian villard dan bentuk gelombangnya.Rangkaian ini
terdiri dari rangkaian delon yang kemudian dilewatkan pada sebuah diode dan kapasitor.
Artinya tegangan antara titik 2-0 sesaat sebesar 2.0 dan tegangan output menjadi.
ripple dari rangkaian ini adalah
Tegangan blocking pada diode adalah Vblock = 2.√ 2.Veff.
3.4.4 Kaskade Greinacaher (Cochroff - Walton)
Rangkaian Kaskade Greinacher adalah rangkaian yang penting untuk membangkitkan
tegangan tinggi dc dari sumber ac yang relatif kecil (100-200kV). Rangkaian ini juga
menghasilkan daya yang besar karena dapat membangkitkan beberapa MV dengan arus
sampai dengan 100mA. Gambar 3.9 menunjukkan rangkalan sederhana dari kaskade
Greinacher berserta bentuk gelombang masukan dan luararrnya.
Dalam gambar terlihat dengan jelas bahwa rangkain kaskade Greinacher tiga tingkat sama
dengan tiga buah rangkaian Villard. Tegangan yang dihasilkan adalah
Secara teoritis, kaskade Greinacher dapat membangkitkan tegangan tinggi dc setinggi
mungkin. Akan tetapi pada saat pembebanan Ripple meningkat secara tidak proporsional
seiring peningkatan tingkatan generator ini.
3.5 Generator Elektrostatik
Prinsip dari pembangkitan tegangan tinggi dc dengan generator elektrostatik adalah
pemisahan muatan baik positifatau negatifdan dikumpulkan pada sebuah elektrode. Tegangan
dc yang dibangkitkan oleh generator elektrostatik tidak memiliki ripple.
3.5.1 Generator Van de Graaff - Generator Pita
Generator ini dikembangkan pertama kali oleh fisikawan Amerika Robert Van de
Graaff. Skcrrratik generator van de Graaff dapat diiihat pada Gambar. 3.10. Adapun prinsip
dari band generator adalah sebagai berikut: Melalui peluahan korona pada electrode jarum-
pla1 akan terbentuk ion positif atau nagatif tergantung dari polaritas sumber tegangan dc
untuk membangkitkan korona. Muatan ini bergerak pada pita yang berputar dan terkumpul
pada electrode tegangan-tinggi, sehingga elektrode tegangan tinggi termuati secara elektro
statis. Kekurangan dali generator van de Graaff adalah kesulitan dalam pengaturan dan
pembebanan yang terbatas. Arus yang dihasilkan pada pita tergantung dari kerapatan muatan
bidang, kecepatan pita dan lebar pita,
hal ini σ adalah kerapatan muatan bidang, u adalah kecepatan pita, dan b adalah lebar
pita. Transportasi muatan dibatasi oleh lebar pita. Kerapatan muatan bidang dibatasi oleh kuat
medan gas di sekitar elektrode jarum plat.n tinggi tegangan dc di tentukan oleh tahanan
isolasi, besarnya arus pita, dan tegangan awal korona. Secara
praktis peningkatan tegangan hingga tak berhingga tidaklah mungkin karena setelah tegangan
awal korona terlewati akan terjadi peningkatan arus bocor secara tidak proporsional.
3.5.2 Trommel Generator Felici
Generator ini dikembangkan oleh Noel J Felici. Prinsip generator ini sama dengan
prinsip genarator van de Graaff. tommel termuati secara elektrostatik melalui korona pada
elektorde jarum-plat. Muatan akan bergerak dan memuati kapasitor melalui sikat. Skematik
diagram dari rangkaian trommel generator dapat dilihat pada Gambar. 3.11. Secara teknis
mekanisme pergerakan rotasi trommel generator lebih sederhana dari pergerakan translasi
generator van de Graaff. Kecepatan trommel dapat Iebih tinggi dari kecepatan generator van
de Graaff, sehingga arus pemuatan dan juga pembebanan lebih tinggi dari generator van de
Graaff. Tegangan maksimum dibatasi seperti halnya pada generator van de Graaff oleh rugi
rugi peluahan korona.
Top Related