Pembangkitan Tegangan Tinggi AC dan DC

1. Pengertian Umum

Perkembangan sistem tenaga listrik yang pesat membutuhkan transmisi tegangan tinggi. Lingkup studi tegangan tinggi sangat luas, antara lain meliputi fenomena  tegangan tinggi, seperti perhitungan medan listrik, gejala tembus listrik dielektrik, dan lain-lain. Pembangkitan tegangan tinggi terbagi menjadi pembangkitan tegangan tinggi bolak-balik, pembangkitan tegangan tinggi searah, dan pembangkitan tegangan tinggi impuls. Untuk menguji suatu tegangan tembus dari udara, gas, minyak atau zat padat, dibutuhkan pembangkit tegangan tinggi. Salah satu jenis tegangan tinggi yang biasa digunakan untuk pengujian adalah tegangan tinggi AC. Namun, selain menggunakan tegangan tinggi AC, dapat juga digunakan karakteristik tegangan yang berbeda, yaitu tegangan tinggi DC.

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.

2. Pembangkitan Tegangan Tinggi AC

Sekarang ini saluran transmisi dan distribusi bekerja pada tegangan AC, karena itu kebanyakan perlatan uji / test equipment berhubungan dengan tegangan tinggi AC untuk membangkitkan tegangan tinggi AC untuk keperluan pengujian dan percobaan digunakan transformator uj, meskipun peralatan didalam suatu sistem umunya memakai sistem 3-fasa,dalam hal pengujian tegangan tinggi AC digunakan Trafo uji 1-fasa. Trafo uji untuk keperluan ini memiliki daya relative lebih kecil dari trafo daya. Bagian utama trafo uji adalah isolasi, yang digunakan untuk mengisolir kumparan tegangan tinggi dengan inti, tangki, dan kumparan tegangan rendah. Harga suatu trafo uji terutama ditentukan oleh harga isolasinya. Isolasi ini dirancang agar mampu memikul tegangan maksimum yang dibangkitkan. Saat trafo uji bekerja, terjadi terpaan elektrik pada isolasinya. Tebal isolasi yang digunakan pada trafo uji sebanding dengan terpaan elektrik yang dipikul isolasi tersebut. Jika tepaan elektrik yang dipikul suatu isolasi semakin besar, maka isolasi harus semakin tebal sehingga volume isolasi semakin banyak. Oleh karena itu, terpaan elektrik pada isolasi pada trafo uji harus diusahakan sekecil mungkin agar isolasi yang digunkan juga sesedikit mungkin. Konstuksi lilitan dan isolasinya harus dirancang sedemikian rupa sehingga dihasilkan terpaaan elektrik merata. Ciri-ciri dari trafo uji itu sendiri adalah sebagai berikut :

• Perbandingan jumlah lilitanya lebih besar dari pada trafo daya. Hal ini sebabkan trafo uji yang dipasang pada laboraturium tegangan yang diterapkan dengan tegangan input 127 volt sampai 220 volt sedangkan output yang harus dihasilkan adalah besarnya sampai beberapa ratus ribu volt. 

• Kapasitas KVA-nya lebih kecil dibanding dengan trafo daya, karena untuk keperluan lompatan api tidak perlu daya yang besar melainkan tegangan yang besar. 

• Trafo yang dipakai biasanya satu phasa, kecuali pada pengujian khusus yang memerlukan trafo tiga phasa. 

• Satu ujung lilitannya biasanya ditanam dalam tanah untuk keperluan keamanan dan pengamanan terhadap manusia dan alat ujinya. 

• Pada waktu merencanakan isolasi untuk trafo penguji hanya diperhitungkan isolasinya tahan terhadap tegangan penguji yang maksimum. 

Tegangan tinggi AC ini dapat dibangkitkan dengan menggunakan trafo tegangan tinggi. Trafo uji hanya digunakan untuk daya yang kecil tetapi dengan nilai tegangan yang besar, trafo ini biasanya digunakan untuk pengujian jangka pendek untuk peralatan tegangan tinggi. Desain dari trafo uji ini mirip dengan trafo tegangan yamg digunakan untuk mengukur daya dan tegangan pada slauran transmisi, kerapatan fluks yang rendah dipilih agar tidak menimbulkan arus magnetisasi yang besar yang sebaliknya akan memenuhi inti besi dan menimbulkan harmonisa yang tinggi. Tegangan tinggi bolak-balik banyak dipergunakan untuk pengujian peralatan listrik, untuk pengujian, pembangkitan tegangan searah dan impuls. Pembangkitan tegangan tinggi bolak-balik dapat mempergunakan trafo dengan perbandingan belitan yang tinggi jenis dua belitan dan jenis tiga belitan (untuk keperluan rangkaian kaskade).  Trafo tegangan tinggi bolak-balik untuk keperluan pengujian mampu menghasilkan tegangan yang sangat tinggi namun menghasilkan daya yang kecil. Untuk keperluan pengujian peralatan tegangan tinggi kapasitif seperti kabel tegangan tinggi, kondensator atau pengujian peralatan berisolasi gas SF6 yang memiliki daya reaktif yang besar dilakukan cara kompensasi disisi primer atau sekunder dengan menggunakan rangkaian resonansi seri. Untuk membangkitkan tegangan tinggi AC dibutuhkan banyak peralatan, antara lain sumber tegangan AC 220 V, Regulator tegangan, Trafo Tegangan Tinggi, Resistor Tegangan Tinggi, Kapasitor, Konektor, Elektroda Bola-Bola, Operating Terminal, Digital Measuring Instrument (DMI), dan Jumper. 

Tegangan suplai 220 V AC dihubungkan dengan regulator tegangan yang berfungsi untuk menaikkan dan menurunkan tegangan. Karena kinerja dari regulator tegangan ini tidak dapat dioperasikan dengan tangan secara langsung, maka kita dapat gunakan operating terminal, operating terminal ini dapat menaikkan dan menurunkan tegangan input dan regulator sehingga tegangan tersebut sesuai dengan yang kita inginkan. Setelah keluar dari regulator, tegangan mulai menyupali trafo. Keluaran dari trafo ini adalah tegangan ac yang memiliki tegangan dengan niai yang tinggi. Sekeluarnya dari trafo, akan melalui resistor. Resistor disinu berfungsi untuk menghindari arus balik yang besar menuju sumber ketika terjadi short circuit sehingga tidak terjadi kerusakan pada trafo. Setelah itu, tegangan sumber akan menyuplai kapasitor pembangkitan sehingga kapasitor tersebut akan terisi. Tegangan pada kapasitor pembangkitan ini akan dicuplik dengan menggunakan jumper yang terdapat pada kapasitor ujinya, sehingga tegangan dapat terukur melalui Digital Measuring Instrument (DMI), Tegangan AC maksimal dan tegangan AC efektir dapat diukur. 

Untuk lebih mengamankan trafo agar tidak terjadi kerusakan ketika ada tegangan lebih, maka digunakanlah elektroda bola-bola yang disetting memiliki celah yang besar. Sehingga ketika terjadi kelebihan tegangan yang berpotensi merusak trafo, dapat diatasi dengan flash yang terjadi antar elektroda bola-bola. Untuk menghubungkan elektroda bola-bola dengan kapasitor, dapat digunakan konektor.

Masing-masing sisi ground dari komponen-komponen tersebut dapat dijadikan satu dengan menggunakan jumper kemudian disambungkan langsung dengan grounding yang tertancap di dalam tanah. Pastikan sebelum memulai menggunakan peralatan-peralatan yang ada untuk digrounding terlebih dahulu. Hal ini dikarenakan tegangan kerja dari peralatan yang tinggi, sehingga memungkinkan arus sisa dari komponen tinggi. Sehingga berbahaya jika kita menyentuh peralatan-peralatan tersebut secara langsung.

Selain itu, sebelum menggunakan peralatan, pastikan tahanan pentanahan grounding yang tertancap di tanah bernilai rendah. Jika setelah diukur dengan menggunakan earth tester tahanan pentanahannya tinggi, maka dapat diturunkandengan menyiram grounding tersebut dengan menggunakan air atau lebih baik lagi dengan menggunakan air garam. Namun perlu diingat, air garam dapat menimbulkan korosi pada elektrode grounding. Sehingga justru akan bersifat merugikan.

Tegangan tinggi AC umumnya digunakan di laboratorium untuk  pengujian dan percobaan dengan tegangan DC dan tegangan impuls. Perbedaantransformator uji dengan transformator daya adalah kapasitas dayanya rendah,akan tetapi ratio lilitannya tinggi.Transformator tegangan tinggi terdiri dari : Kumparan sekunder, satu terminal pada level yang rendah dekat potensialtanah dan terminal lainnya terisolasi dengan tanah sebagai terminal tinggi. Serta Kumparan primer yang dihubungkan dengan tegangan rendah.

2.1 Trafo Uji 

Pengukuran Tegangan AC

Pengukuran tegangan AC dapat diakibatkan oleh perbedaan arti. Tiga kelas dari pengukuran dapat dibedakan atas :

- Peralatan yang menunjukkan nilai rms.

- Peralatan yang menunjukkan nilai puncak.

- Peralatan pengukuran kombinasi tegangan divider.

Nilai puncak dari suatu tegangan adalah nilai yang paling tinggi selama setengah siklus. Nilai rms dapat juga diukur dengan voltmeter elektrostatik atau dengan transformator arus.

 Pembagi Tegangan Kapasitif

Kini telah dikembangkan beberapa rangkaian penyearah untuk mengukur puncak tegangan tinggi bolak balik dengan bantuan pembagi kapasitif. Metode-metode ini lebih menguntungkan dibanding dengan rangkain Chubb-Furtesque dikarenakan nilai terukur tidak bergantung pada frekuensi serta membolehkan pengukuran dengan banyak puncak tegangan dalam setiap setengah periode.

Keburukan pembagi tegangan kapasitif ini antara lain adalah :

1) Hasil pengukuran dipengaruhi oleh kapasitansi kabel ukur

2) Kesalahan bisa terjadi karena adanya kapasitansi antara kondensator dan tanah yang disebut kapasitansi sasar.Kapasitansi sasar dijumpai juga antara kondensator Ch dan selubung kabel.Hal ini berpengaruh terhadap hasil pengukuran terutama pada saat pengukuran tegangan tinggi impuls.

Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam penggunaan pembagi tegangan kapasitif adalah :

1) Kabel ukur harus kabel koaksialn yang konduktor luarnya ditanahkan.Hal ini dimaksudkan untuk mencegah pengaruh induksi dari pembagi tegangan terhadap inti kabel.

2) Untuk mengurangi pengaruh induksi pembagi tegangan terhadap osiloskop, maka jarak osiloskop dan pembagi tegangan harus relatif jauh.

3) Sebaiknya osiloskop diberi perisai (shielding) untuk mencegah pengaruh induksi dari pembagi tegangan terhadap tampilan osiloskop.

3. Pembangkitan Tegangan Tinggi DC

Pembangkit tegangan tinggi DC umumnya banyak digunakan dalam fisika terapan seperti instrumen dalam bidang nuklir (akselerator, mikroskop elektron), peralatan elektromedik (x-ray), peralatan industri (presipitat dan penyaringan gas buang di pembangkit listrik, industri semen, pengecatan elektrostatik dan pelapisan serbuk) atau eletronika komunikasi (televisi). Kebutuhan bentuk tegangan, tingkat tegangan dan besar arus serta kestabilan dari pembangkit tegangan tinggi tersebut akan berbeda satu aplikasi dengan lainnya.

Tegangan tinggi DC banyak digunakan untuk pengujian dan penelitian susunan isolator dengan kapasitansi fungsi seperti kabel dan kapasitor. Pemanfaatan tegangan tinggi DC banyak dijumpai pada instalasi elektrostatik (penyaring gas buang, peralatan pengecatan), peralatan kedokteran (alat rontgen) dan pada fisika inti (pemercepat muatan). Pada umumnya pembangkitan tegangan tinggi searah dilakukan dengan penyearahan tegangan tinggi bolak-balik melalui dioda Selenium, Germanium dan Silizium. Dioda Selenium memiliki volume yang lebih besar, efisiensi yang rendah dan kapasitas penyaluran arus yang rendah. 

Tegangan tinggi searah banyak digunakan untuk pengujian dan penelitian susunan isolator dengan kapasitansi fungsi seperti pada kabel atau kondensator.Pemanfaatan tegangan tinggi searah dapat dijumpai pada instalasi elektrostatik, pada peralatan kedokteran dan pada fisika inti.

Pada umumnya pembangkitan tegangan tinggi searah dilakukan dengan penyearahan tegangan tinggi bolak balik melalui dioda, kemudian dapat dilipat gandakan tingginya. Sedangkan generator elektrostatis sangan jarang digunakan. sebagai dioda penyearah biasa digunakan bahan selenium, germanium dan silizium. Dioda selenium memiliki volume yang lebih besar, efisiensi yang redah dan kapaita penyaluran arus yang rendah. Akan tetapi dioda sedemikian ini dapat menahan tegangan bolak balik sampai 600 kV tanpa kondensator pengarah tegangan, karena kapasitansi lapisan dioda yang tinggi. Ada beberapa macam rangakaian pelipat ganda tegangan antara lain Vilard, Greincher, Kaskade Greincher. 

 Pengukuran tegangan dengan pemakaian pembagi tegangan

Untuk mengukur tegangan arus searah yang tinggi dibutuhkan pembagi tegangan. Alat ini dipakai untuk menurunkan tegangan yang tinggi menjadi tegangan yang rendah sehinga dapat disambungkan ke meter atau CRO. Nilai tegangan ini cukup besar sehingga tidak akan membahayakan alat ukur itu sendiri atau pemakai. Berdasarkan elemen-elemen yang dipakai, pembagi tegangan ini dapat dibedakan menjadi :

1) Pembagi tegangan resistif, berisi elemen tahanan.

2) Pembagi tegangan kapasitif, berisi elemen kapasitor.

3) Pembagi tahanan campuran antara resistor dan kapasitor.

 Pengukuran tegangan dengan pemakaian pembagi tegangan

Arus yang digunakan untuk pengukuran ini harus sangat kecil yaitu berkisar 1 mA, dikarenakan batas pembebanan pada sumber tegangan serta pemanasan pada resistor ukur. Akan tetapi arus yang kecil mudah terganggu oleh arus galat berupa arus-arus bocor dalam bahan isolasi dan permukaan isolasi serta berupa peluahan korona. Konstruksi resistor tegangan tinggi dibentuk dengan menhubungkan elemen-elemen resistor secara seri.