Peralatan Teknik Tegangan Tinggi

TEKNIK TEGANGAN TINGGI

Latar belakang

             Tegangan tinggi dalam dunia teknik tenaga listrik(electric power engineering) ialah semua tegangan yang dianggap cukup tinggi oleh para tenisi listrik sehingga diperlukan pengujian dan pengukuran dengan tegangan tinggi yang semuannya bersifat khusus dan memerlukan teknik-teknik tertentu (subyektif), atau dimana gejala-gejala tegangan tinggi mulai terjadi (obyektif).

          teknik pembangkit dan pengujian tegangan tinggi, termasuk antara laen klasifikasi pengujian H.V. dalam laboratorium,pembangkit dan pengujian dengan tegangan AC. pembangkitan dan pengujian dengan tegangan DC, pembangkit dan pengujian dengan tegangan impuls.

        koordinasi isolasi, yang menyangkutr persoalan-persoalan koordinasi isolasi antara peralatan listrik di satu pihak dan alat-alat pelindung di lain pihak.

        beberapa gejala tegangan tinggi, dimana antara laen akan dibahas soal-soal korona(corona), gangguan radio(radio interfence),gangguan televise(television interference) dan gangguan berisik(audible noise).

         Beberapa komponen peralatan tegangan tinggi, misalnnya isolator, bahan-bahan dielectric,bushing, dan sebagainnya

         Instrumentasi tegangan tinggi , misalnnya osilograf dan meter-meter khusus untuk pengukuran tegangan tinggi

         Surya hubung, yang berhubungan dengan naiknnya tegangan sejalan dengan kenaikan tenaga yang harus disalurkan, memegang peranan yang menentukan dalam penetapan isolasi.

         Project terpenting dalam teknik tegangan tinggi adalah INSULATION, yang berarti to insulate dan to separate. insulator ini terpasang pada tiang tiang transmisi atau distribusi dengan jalan agar arus tidak mengalir ke tanah melalui tiang atau arus bocor, melainkan menuju ke konsumen. insulator ini terbuat dari bahan isolator. Perbedaan antara isolator dan konduktor adalah, bahwa konduktor adalah sangat mudah mengalirkan elektron sedangkan isolator sangat susah mengalirkan elektron. Hal ini lah yang menjadikan bahan dasar pembuatan isolator.

         Suspension isolator : merupakan isolator yang digantung pada tiang distribusi, berbentuk suatu lempengan keramik yang diapit oleh logam. satu logam unutk tempat bergantung suspensi ini dan logam lain untuk menggatung kabel transmisi atau distribusi. jadi keramik digunakan unutk mengisolasi arus, agar tidak bocor ke tanah lewat tiang. penggunaan isolator ini menganut type tegangannya, misalnya pada tegangan 20 Kv menggunakan 2 suspensi isolator, sedangkan pada 150 Kv menggunakan 11 suspensi dan 500 Kv menggunakan 33 suspensi.

        High Voltage Engineering fungsinya adalah

• Untuk mengetes material insulator yang baru
• Untuk mengetahui tingkat tegangan yang dapat digunakan oleh insulation material
• Untuk mengetes exiciting komponen yang ada dalam komponen power system pada trafo terdapat minyak yang berfungsi sebagai pendingin kumparan dan mengisolasi tegangan agar tidak bocor ke luar.

        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:

• Untuk meneliti sifat-sifat listrik dielektrik yang baru ditemukan, sebagai usaha dalam menemukan bahan isolasi yang lebih murah.
• Untuk verifikasi hasil rancangan isolasi baru, yaitu hasil rancangan yang telah dikurangi volume isolasinya.
• Untuk memeriksa kualitas peralatan sebelum terpasang, hal ini dilakukan untuk menghindarkan kerugian bagi pemakai peralatan.
• 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:

• Pembangkit tegangan tinggi yang terdiri atas: pembangkit tegangan tinggi AC, pembangkit tegangan tinggi DC, dan pembangkit tegangan tinggi impuls.
• Alat ukur tegangan tinggi yang terdiri atas alat ukur tegangan tinggi DC, alat ukur tegangan tinggi AC, dan alat ukur tegangan tinggi impuls
• Alat pengukur sifat listrik dielektrik, antara lain alat ukur rugi-rugi dielektrik, alat ukur tahanan isolasi, alat ukur konduktivitas, dan alat ukur peluahan parsial.

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 dan nilai efektif Vef memiliki arti yang sangat penting :

Vrms = 1T0TV2 t dt

Mekanisme Terjadinya Tegangan Tembus Listrik

        Suatu dielektrik tidak mempunyai elektron-elektron bebas, melainkan elektron-elektron yang terikat pada inti atom unsur yang membentuk dielektrik tersebut. Setiap dielektrik mempunyai batas kekuatan untuk memikul terpaan elektrik. Pada gambar 2.1 ditunjukkan suatu bahan dielektrik yang ditempatkan di antara dua elektroda piring sejajar. Bila elektroda diberi tegangan searah V, maka timbul medan elektrik (E) di dalam dielektrik. Medan elektrik ini memberi gaya kepada electron-elektron agar terlepas dari ikatannya dan menjadi electron bebas. Dengan kata lain, medan elektrik merupakan suatu beban yang menekan dielektrik agar berubah sifat menjadi konduktor.

       Jika terpaan elektrik yang dipikulnya melebihi batas tersebut dan terpaan berlangsung cukup lama, maka dielektrik akan menghantar arus atau gagal melaksanakan fungsinya sebagai isolator. Dalam hal ini dielektrik disebut tembus listrik atau “breakdown”. Terpaan elektrik tertinggi yang dapat dipikul suatu dielektrik tanpa menimbulkan dielektrik tembus listrik disebut kekuatan dielektrik. Jika suatu dielektrik mempunyai kekuatan dielektrik , maka terpaan elektrik yang dapat dipikulnya adalah . Ek≤ Ek

        Jika terpaan elektrik yang dipikul dielektrik melebihi , maka di dalam dielektrik akan terjadi proses ionisasi berantai yang akhirnya dapat membuat dielektrik mengalami tembus listrik. Proses ini membutuhkan waktu dan lamanya tidak tentu tetapi bersifat statistik. Waktu yang dibutuhkan sejak mulai terjadi ionisasi sampai terjadi tembus listrik disebut waktu tunda tembus (time lag). Jadi tidak selamanya terpaan elektrik dapat menimbulkan tembus listrik, tetapi ada dua syarat yang harus dipenuhi, yaitu: (1) terpaan elektrik yang dipikul dielektrik harus lebih besar atau sama dengan Ek yaitu kekuatan dielektriknya dan (2) lama terpaan elektrik berlangsung lebih besar atau sama dengan waktu tunda tembus.

        Tegangan yang menyebabkan dielektrik tersebut tembus listrik disebut tegangan tembus atau breakdown voltage. Tegangan tembus adalah besar tegangan yang menimbulkan terpaan elektrik pada dielektrik sama dengan atau lebih besar daripada kekuatan dielektriknya.  

GENERATOR AC (ALTERNATOR)

        Hampir semua tenaga listrik yang dipergunakan saat ini bekerja pada sumber tegangan bolak balik (ac), karenanya, generator ac adalah alat yang paling penting untuk menghasilkan tenaga listrik. Generator ac, umumnya disebut alternator, bervariasi ukurannya sesuai dengan beban yang akan disuplai. Sebagai contoh, alternator pada PLTA mempunyai ukuran yang sangat besar, membangkitkan ribuan kilowatt pada tegangan yang sangat tinggi. Contoh lainnya adalah alternator di mobil, yang sangat kecil sebagai perbandingannya. Beratnya hanya beberapa kilogram dan menghasilkan daya sekitar 100 hingga 200 watt, biasanya pada tegangan 12 volt.

Dasar-dasar Generator AC

        Berapapun ukurannya, semua generator listrik, baik ac maupun dc, bergantung kepada prinsip induksi magnet. EMF diinduksikan dalam sebuah kumparan sebagai hasil dari (1) kumparan yang memotong medan magnet, atau (2) medan magnet yang memotong sebuah kumparan. Sepanjang ada gerak relative antara sebuah konduktor dan medan magnet, tegangan akan diinduksikan dalam konduktor. Bagian generator yang mendapat induksi tegangan adalah armature. Agar gerak relative terjadi antara konduktor dan medan magnet, semua generator haruslah mempunyai dua bagian mekanis yaitu rotor dan stator.

ROTATING-ARMATURE ALTERNATOR

         Alternator armature bergerak (rotating-armature alternator) mempunyai konstruksi yang sama dengan generator dc yang mana armature berputar dalam sebuah medan magnet stasioner. Pada generator dc, emf dibangkitkan dalam belitan armature dan dikonversikan dari ac ke dc dengan menggunakan komutator (sebagai penyearah). Pada alternator, tegangan ac yang dibangkitkan tidak diubah menjadi dc dan diteruskan kepada beban dengan menggunakan slip ring. Armature yang bergerak dapat dijumpai pada alternator untuk daya rendah dan umumnya tidak digunakan untuk daya listrik dalam jumlah besar.

ROTATING-FIELD ALTERNATORS

        Alternator medan berputar mempunyai belitan armature yang stasioner dan sebuah belitan medan yang berputar. Keuntungan menggunakan system belitan armature stasioner adalah bahwa tegangan yang dihasilkan dapat dihubungkan langsung ke beban.

         Jenis armature berputar memerlukan slip ring dan sikat untuk menghantarkan arus dari armature ke beban. Armature, sikat dan slip ring sangat sulit untuk diisolasi, dan percikan bunga api dan hubung singkat dapat terjadi pada tegangan tinggi. Karenanya, alternator tegangan tinggi biasanya menggunakan jenis medan berputar. Karena tegangan yang dikenakan pada medan berputar adalah tegangan searah yang rendah, problem yang dijumpai pada tegangan tinggi tidak terjadi.

       Armature stasioner, atau stator, pada alternator jenis ini mempunyai belitan yang dipotong oleh medan putar (rotating magnetic field). Tegangan yang dibangkitkan pada armature sebagai hasil dari aksi potong ini adalah tegangan ac yang akan dikirimkan kepada beban. Stator terdiri dari inti besi yang dilaminasi dengan belitan armature yang melekat pada inti ini.

         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.

• 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.

• 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
• 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.

• 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).
• 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.
• 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.

          Tegangan tinggi DC juga perlu diuji. Meskipun tegangan ini tidak banyak digunakan pada sistem transmisi karena mahal dan sulit mentransformasikan level tegangannya, tegangan ini memiliki kelebihan jika digunakan pada sistem transmisi, antara lain:

• Dengan tegangan puncak dan rugi daya yang sama kapasitas penyaluran dengan tegangan searah lebih tinggi diibandingkan dengan tegangan bolak balik
• Pengisolasian tegangan searah lebih sederhana.
• Daya guna (efisiensi) lebih tinggi karena faktor dayanya = 1
• pada penyaluran jarak jauh dengan tegangan searah tidak ada persoalan perubahan frekuensi dan stabilitas
• Untuk rugi korona dan radio interferensi tertentu tegangan searah dapat dinaikkan lebih tinggi daripada tegangan bolak balik

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

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