MODUL PRAKTIKUM TEKNIK ARUS DAN TEGANGAN TINGGI

Transkripsi

1 MODUL PRAKTIKUM TEKNIK ARUS DAN TEGANGAN TINGGI LABORATORIUM TEGANGAN TINGGI DAN PENGUKURAN LISTRIK DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS INDONESIA

2 MODUL 1 PENGANTAR TEKNIK ARUS DAN TEGANGAN TINGGI Tegangan Tinggi dalam dunia teknik tenaga listrik adalah semua tegangan yang dianggap cukup tinggi oleh para teknisi listrik sehingga diperlukan pengujian dan pengukuran dengan tegangan tinggi yang semuanya bersifat khusus dan memerlukan teknik-teknik tertentu atau dimana gejala-gejala tegangan tinggi mulai terjadi. Batas yang menyatakan kapan suatu tegangan dapat dikategorikan dalam Tegangan Tinggi (High Voltage), Tegangan Tinggi Sekali (Extra High Voltage), atau Ultra Tegangan Tinggi (Ultra High Voltage) berbeda-beda untuk setiap negara atau perusahaan tenaga listrik di negara-negara tersebut dan biasanya tergantung pada kemajuan tekniknya masing-masing. Secara umum, 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 tujuan antara lain 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. Peralatan yang digunakan dalam pengujian tegangan tinggi dibagi menjadi: 1

3 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. Beberapa peralatan yang digunakan dalam pengujian dan pengukuran tegangan tinggi, khususnya yang ada pada Lab Tegangan Tinggi Departemen Teknik Elektro UI, antara lain: Trafo uji satu fasa Digital Measurement Instrument HV Connection Regulating Transformer Resistor OT 276 control unit Kapasitor 2

4 Isolator Oil Testing Cup Connecting Rod Connecting Cup Ground Switch Floor Pedestal Measuring Sphere Gap 1

5 MODUL 2 PENGUJIAN ISOLASI UDARA TEGANGAN AC I. TUJUAN 1. Mempelajari pengaruh bentuk elektroda pada kegagalan isolasi udara dengan tegangan tinggi bolak balik 2. Mempelajari pengaruh jarak elektroda pada kegagalan isolasi udara dengan tegangan tinggi bolak balik 3. Mengukur tegangan tinggi arus bolak balik (AC) dengan menggunakan prinsip pembagi kapasitor II. DASAR TEORI A. TEGANGAN TINGGI BOLAK BALIK Yang dimaksud dengan Tegangan Tinggi dalam dunia teknik tenaga listrik adalah semua tegangan yang dianggap cukup tinggi oleh para teknisi listrik sehingga diperlukan pengujian dan pengukuran dengan tegangan tinggi yang semuanya bersifat khusus dan memerlukan teknik-teknik tertentu atau dimana gejala-gejala tegangan tinggi mulai terjadi. Batas yang menyatakan kapan suatu tegangan dapat dikategorikan dalam Tegangan Tinggi (High Voltage), Tegangan Tinggi Sekali (Extra High Voltage), atau Ultra Tegangan Tinggi (Ultra High Voltage) berbeda-beda untuk setiap negara atau perusahaan tenaga listrik di negara-negara tersebut dan biasanya tergantung pada kemajuan tekniknya masing-masing. Tegangan Tinggi Arus bolak balik dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu Tegangan Tinggi Arus bolak balik dengan frekuensi rendah dan Tegangan Tinggi arus bolak balik dengan frekuensi tinggi. Tujuan dari pembangkita Tegangan Tinggi yang paling utama adalah untuk kepentingan penyaluran (transmisi) tenaga listrik dari Pusat Pembangkit ke Beban.Dengan menggunakan sistem transmisi Tegangan Tinggi maka rugi-rugi yang terjadi pada sistem transmisi dapat dikurangi karena arus yang mengalir menjadi lebih kecil, sehingga rugi-rugi tembaga yang terjadi pada kawat transmisi juga menjadi lebih kecil. Selain itu tegangan tinggi arus bolak balik frekuensi rendah juga diperlukan untuk menyelidiki apakah peralatan listrik yang terpasang pada jaringan tegangan tinggi dapat menahan tegangan yang melebihi tegangan operasinya untuk waktu terbatas. Sedangkan 1

6 tegangan Tinggi Arus bolak balik dengan frekuensi tinggi juga diperlukan untuk berbagai macam pengujian, diantaranya adalah untuk menguji adanya kerusakan-kerusakan mekanis (keretakan, kantong udara, dsb) pada isolator terutama isolator porselen. Peralatan yang digunakan untuk membangkitkan tegangan tinggi bolak balik adalah dengan menggunakan transformator, yang biasanya digunakan adalah transformator penguji (Testing Transformator). Trafo pengujian yang digunakan memiliki perbandingan jumlah lilitan lebih besar dibandingkan dengan Trafo Daya ( Power Transformer ) dan kapasitas kvanya kecil dibandingkan dengan kapasitas Trafo Daya. Biasanya dipakai transformator satu fasa, karena pengujian dilakukan fasa demi fasa. B. Kegagalan pada Isolasi Udara Pada umumnya, kegagalan peralatan listrik pada waktu sedang dipakai disebabkan oleh kegagalan isolasi dalam menjalankan fungsinya sebagai isolator tegangan tinggi. Kegagalan isolasi disebabkan oleh beberapa faktor antara lain isolasi tersebut sudah dipakai untuk waktu yang lama, kerusakan mekanis, berkurangnya kekuatan dielektrik, dan karena tegangan lebih. Udara merupakan media isolasi yang paling banyak digunakan dalam teknik tegangan tinggi. Beberapa fenomena atau gejala tegangan tinggi yang biasa terjadi antara lain skin effect, korona, spark over dan flash over. Fenomena fisik gejala maupun kegagalan tegangan tinggi ini salah satunya dipengaruhi oleh bentuk elektroda yang dipakai. C. Pengukuran Tegangan Tinggi Bolak-Balik Metode pengukuran pada Tegangan Tinggi Arus bolak balik ialah dengan menggunakan pembagi kapasitor (capacitor divider), yakni dengan menghubungkan kapasitor dengan sebuh voltmeter, sehingga tegangan tinggi yang hendak diukur tegangannya tidak diukur langsung oleh voltmeter tersebut. 2

7 Dalam hal ini: Diamana: V1 = C + Cs V2 C V1 V2 Cs = tegangan tinggi yang hendak diukur besarnya = tegangan di voltmeter = kapasitansi voltmeter III. PERALATAN PERCOBAAN 1. 1 buah Transformator Penguji 100kV / 10 kva ( TEO 100 / 10 ) 2. 3 buah Connecting Rod ( V ) 3. 2 buah Connecting Cup ( K ) 4. 2 buah Floor Pedestial ( F ) 5. 1 buah Support Insulator ( IS ) 6. 1 buah measuring Spark Gap ( MF ) 7. 1 buah Earthing / Grounding Switch ( ES ) 8. 1 buah Measuring capacitor 100 kv, 100 pf ( CM ) 9. 1 buahy Electrode ( EL ) buah Elektroda tipe jarum buah Elektroda tipe lempengan ( flat ) 12. Kabel pengontrol jarak antar elektroda OT 271 AKF 13. Instrumen Pengukuran Digital ( DMI 551 ) 3

8 IV. RANGKAIAN PERCOBAAN [MODUL PRAKTIKUM TEGANGAN DAN ARUS TINGGI] 2014 V. PROSEDUR PERCOBAAN 1. Susunlah rangkaian seperti gambar 2 2. Gunakanlah elektroda tipe flat tipe flat ( dibumikan ), pada MF Ukurlah tegangan kegagalan yang terjadi pada elektroda tersebut dengan tegangan bolak balik. Pengukuran dilakukan pada jarak antar elektroda sebesar 5, 10, 20, dan 30 mm 3. Catat besarnya tegangan kegagalan yang terjadi 4. Ulangi percobaan seperti diatas untuk bermacam bentuk elektroda, yakni : A. Tipe jarum tipe flat ( dibumikan ) B. Tipe bola tipe flat ( dibumikan ) C. Tipe jarum tipe jarum ( dibumikan ) 5. Catat kembali besarnya tegangan kegagalan tuntuk bermacam bentuk elektroda tersebut pada asing-masing jarak 4

9 MODUL 3 PENGUJIAN ISOLASI UDARA TEGANGAN DC I. TUJUAN 1. Mempelajari pengaruh bentuk elektroda pada kegagalan isolasi udara dengan tegangan tinggi searah (DC) 2. Mempelajari pengaruh jarak elektroda pada kegagalan isolasi udara dengan tegangan tinggi searah (DC) 3. Mengukur tegangan tinggi searah dengan menggunakan prinsip pembagi resistor II. DASAR TEORI A. TEGANGAN TINGGI SEARAH Pemanfaatan tegangan tinggi searah dalam kehidupan sehari-hari memang belum banyak dikenal secara umum bila dibandingkan dengan tegangan tinggi bolak-balik, sebagai contohnya adalah penggunaan tegangan bolak balik pada sistem transmisim hal ini dikarenakan kesulitan untuk membangkitkan ataupun mentrasformasikan tegangan tinggi searah karena diperlukan perangkat inverter yang dilihat dari segi ekonomis memiliki harga yang mahal, akan tetapi dengan menggunakan sistem transmisi diperoleh keuntungan-keuntungan antara lain : 1. Dengan tegangan puncak dan rugi daya yang sama kapasitas penyaluran dengan tegangan searah lebih tinggi diibandingkan dengan tegangan bolak balik 2. Pengisolasian tegangan searah lebih sederhana 3. Daya guna (efisiensi) lebih tinggi karena faktor dayanya = 1 4. Pada penyaluran jarak jauh dengan tegangan searah tidak ada persoalan perubahan frekuensi dan stabilitas Pembangkitan tegangan searah dilakukan dengan menggunakan penyearah yang sama dengan penyearah pada rangkaian elektronika biasa akan tetapi tentu saja dengan komponen yang telah didesain untuk dapat menahan tegangan tinggi. Dioda yang digunakan pada rangkaian pembangkitan tegangan tinggi searah dapat berupa dioda tabung hampa ataupun dioda semi konduktor yang terpasang seri dengan sumber (tegangan AC) seperti terlihat pada gambar dibawah ini : 5

10 a. Diode tabung hampa b. semikonduktor Ditambah dengan kapasitor yang dipasang secara paralel.dalam percobaan ini digunakan penyearah setengah gelombang, rangkaian yang digunakan dalam percobaan kali ini adalah sebagai berikut. Gambar 2. Rangkaian penyearah setengah gelombang B. Pengukuran Tegangan Tinggi Searah Salah satu cara pengukuran tegangan tidak langsung tegangan tinggi searah ialah dengan mengunakan pembagi resistor ( resistor divider), yakni dengan menghubungkan resistor dengan voltmeter, sehingga tegangan tinggi yang hendak diukur tegangannya tidak diukur langsung oleh voltmeter tersebut. 6

11 Gambar 4. Prinsip Pembagi Resistor Besarnya tahanan R1 jauh lebih besar dari tahanan R2, hal ini dimaksudkan agar kita dapat mengukur tegangan pada resistor R2 (dimana tegangannya kecil), kemudian dari tegangan R2 ini kita dapatkan besarnya tegangan V1 dengan rumus: V1 = R1 + R2 R2 V2 III. PERALATAN PERCOBAAN 1. 1 buah Transformer Penguji 100Kv / 10kVA (TEO 100/10) 2. 3 buah connecting Rod( V) 3. 4 buah Connecting Cup (K) 4. 4 buah Floor Pedestal (F) 5. 1 buah Support Insulator(IS) 6. 1 buah Measuring Spark Gap (MF) 7. 1 buah Earthing / Ground Switch (ES) 8. 1 buah Measuring Resistor 140kV dc,280 M (RM) 9. 1 buah Electrode (EL) buah Impulse Capasitor 140 kv, 2500Pf(cs) buah Dioda Penyearah 140 kv, 20mA(GS) buah Elektrode tipe jarum 7

12 13. 2 buah elektrode tipe lempengan(flat) 14. Kabel pengontrol jarak antar elektrode OT 275-AKF 15. Instrumen Pengukuran Digital(DMI 551) IV. RANGKAIAN PERCOBAAN Gambar 5. Rangkaian Percobaan V. PROSEDUR PERCOBAAN 1. Susunlah rangkaian seperti pada gambar Gunakan elektrode tipe flat-tipe flat( dibumikan), pada MF. Ukurlah tegangan kegagalan yang terjadi pada elektrode tersebut dengan tegangan tinggi arus searah. Pengukuran dilakukan pada jarak elektroda sebesar 5; 10; 20; dan 30 mm. 3. Catat besarnya tegangan kegagalan yang terjadi. 4. Ulangi percobaan diatas dengan bermacam bentuk elektroda tipe Jarum-tipe flat (dibumikan) 5. Catat kembali besarnya tegangan kegagalan untuk bermacam bentuk elektrode tersebut pada masing-masing jarak. 8

13 MODUL 4 PENGUJIAN ISOLASI ZAT CAIR I. TUJUAN 1. Mengetahui karakteristik kegagalan isolasi zat cair 2. Mengetahui pengaruh jarak elektroda terhadap tegangan gagal pada isolator zat cair II. DASAR TEORI Isolasi berfungsi untuk memisahkan bagian-bagian yang mempunyai beda tegangan agar diantara bagian-bagian tersebut tidak terjadi lompatan listrik (flash over) atau percikan (spark over). Kegagalan isolasi pada peralatan tegangan tinggi yang terjadi pada saat peralatan sedang beroperasi bisa menyebabkan kerusakan alat sehingga kuntinuitas sistem menjadi terganggu.dari beberapa kasus yang terjadi menunjukkan bahwa kegagalan isolasi ini berkaitan dengan adanya partial discharge.partial discharge ini dapat terjadi pada material isolasi padat, material isolasi cair, dan juga material isolasi gas. Kegagalan pada material isolasi cair ini disebabkan oleh : 1. Teori kegagalan murni atau elektronik (yang merupakan perluasan teori kegagalan dalam gas), artinya dalam proses kegagalan yang terjadi dalam zat cair dianggap serupa dengan yang terjadi dalam gas. 2. Teori kegagalan gelembung udara atau kavitasi. Adanya gelembung udara dalam cairan merupakan awal dan penyebab kegagalan total dari zat cair dengan adanya gelembung pada zat cair dan tercampurnya material isolasi cair. 3. Teori kegagalan bola cair Ketidakmurnian yang tidak stabil dalam medan listrik (misalnya bola-bola air) dapat merupakan jembatan bertahanan rendah diantara elektroda dan dapat mengakibatkan kegagalan. 4. Teori kegagalan ketidakmurnian padat Ketidakmurnian (misalnya butiran penghantar padat) dapat menyebabkan pembesaran medan listrik setempat. Apabila medan dalam zat cair melebihi nilai kritis titik tertentu maka di tempat itu zat cair akan gagal dan dapat menyebabkan kegagalan total. 9

14 Beberapa sifat yang harus dipunyai oleh suatu isolasi zat cair adalah sebagai berikut: 1. Viskositas yang rendah Viskositas harus rendah sehingga isolasi zat cair dapat bersirkulasi dengan mudah dan air yang muncul pada perubahan suhu dari hawa mengembun dalam minyak dapat mengendap dengan cepatnya (sebagai sifat pendingin) 2. Zat cair tersebut harus mempunyai sifat-sifat elektris yang baik (tegangan tembus yang tinggi sebagai parameter isolasi) 3. Zat cair tersebut harus stabil. III. PERALATAN PERCOBAAN 1. 1 buah Transformer Penguji 100kV/10kVA (TEO 100/10) 2. 3 buah Connecting Rod (V) 3. 2 buah Connecting Cup (K) 4. 2 buah Floor Pedestal (F) 5. 1 buah Support Insulator (IS) 6. 1 buah bejana pengujian dengan elektroda Rogohwski (MF) 7. 1 buah Earthing / Grounding Switch (ES) 8. 1 buah Measuring Capacitor 100kV, 100pF (CM) 9. 1 buah Electrode (EL) buah Elektrode tipe jarum buah Elektrode tipe lempengan (flat) 12. Kavel pengontrol jarak antar electrode OT 275-AKF 13. Instumen Pengukuran Digital (DMI 551) 14. Isolator zat cair (minyak trafo, minyak torsi, minyak kelapa, dll) 10

15 IV. RANGKAIAN PERCOBAAN Gambar 1 V. PROSEDUR PERCOBAAN 1. Susun rangkaian seperti gambar Tuangkan isolator zat cair pada bejana pengujian dengan hati-hati agar tidak menimbulkan gelembung pada minyak. 3. Diamkan selama beberapa saat agar menghilangkan gelembung udara yang masih mungkin terjadi. 4. Atur jarak antara celah elektroda sejauh 0.5cm. 5. Hubungan bejana berisi isolator zat cair dengan rangkaian percobaan. 6. Naikkan tegangan hingga mencapai tegangan gagalnya. 7. Catat besarnya tegangan gagal. 8. Matikan alat percobaan. 9. Aduk isolator zat cair dalam bejana secara perlahan, untuk menghilangkan gelembung udara sewaktu terjadi kegagalan. 10. Ubah jarak antar celah elektroda menjadi 1 cm dan 1.5 cm. 11. Ulangi percobaan mulai dari point 5 hingga point 9. 11

16 MODUL 5 PENGUJIAN KETIDAKMURNIAN ISOLASI ZAT CAIR I. TUJUAN 1. Mengetahui karakteristik kegagalan isolasi zat cair 2. Mengetahui pengaruh ketidakmurnian padat terhadap tegangan gagal pada isolator zat cair II. DASAR TEORI Ada beberapa alasan mengapa isolasi cair digunakan antara lain: 1. Isolasi cair memiliki kerapatan 1000 kali atau lebih dibandingkan dengan isolasi gas, sehingga memiliki kekuatan dielektrik yang lebih tinggi menurut hukum paschen. 2. Isolasi cair akan mengisi celah atau ruang yang akan diisolasi dan secara serentak melalui proses konversi menghilangkan panas yang timbul akibat rugi energi. 3. Isolasi cair cenderung dapat memperbaiki diri sendiri (self healing) jika terjadi pelepasan muatan (discharge). Namun kekurangan utama isolasi cair adalah mudah terkontaminasi. Kegagalan isolasi (insulation breakdown, insulation failure) disebabkan karena beberapa hal antara lain: 1. Isolasi tersebut sudah lama dipakai 2. Berkurangnya kekuatan dielektrik 3. Karena isolasi tersebut dikenakan tegangan lebih Pada prinsipnya tegangan pada isolator merupakan suatu tarikan atau tekanan (stress ) yang harus dilawan dengan gaya dalam isolator itu sendiri agar supaya isolator tidak gagal. Dalam struktur molekul material isolasi, elektron-elektron terikat erat pada molekulnya, dan ikatan ini mengadakan perlawanan terhadap tekanan yang disebabkan oleh adanya tegangan.bila ikatan ini putus pada suatu tempat maka sifat isolasi pada tempat itu hilang. Bila pada bahan isolasi tersebut diberikan tegangan akan terjadi perpindahan elektron-elektron dari suatu molekul ke molekul lainnya, sehingga timbul arus konduksi atau arus bocor. Krakteristik isolator akan berubah bila material tersebut bercampur dengan bahan pengotor (impurity), seperti adanya arang atau kelembaban dalam isolasi yang dapat menurunkan tegangan gagal. 12

17 III. PERALATAN PERCOBAAN 1. 1 buah Transformer Penguji 100kV/10kVA (TEO 100/10) 2. 3 buah Connecting Rod (V) 3. 2 buah Connecting Cup (K) 4. 2 buah Floor Pedestal (F) 5. 1 buah Support Insulator (IS) 6. 1 buah bejana pengujian dengan elektroda Rogohwski (MF) 7. 1 buah Earthing / Grounding Switch (ES) 8. 1 buah Measuring Capacitor 100kV, 100pF (CM) 9. 1 buah Electrode (EL) buah Elektrode tipe jarum buah Elektrode tipe lempengan (flat) 12. Kavel pengontrol jarak antar electrode OT 275-AKF 13. Instumen Pengukuran Digital (DMI 551) 14. Isolator zat cair (minyak trafo, minyak torsi, minyak kelapa, dll) 15. Pengotor/ketakmurnian padat (arang bubuk,dll) 16. Pengotor/ketakmurnian cair (air) IV. RANGKAIAN PERCOBAAN Gambar 1 13

18 V. PROSEDUR PERCOBAAN 1. Susun rangkaian seperti gambar Tuangkan isolator zat cair pada bejana pengujian dengan hati-hati agar tidak menumbulkan gelembbung pada minyak. 3. Masukkan satu cup arang bubuk sebaggai partikel ketakmurnian padat pada isolator zat cair dalam bejana, aduk hingga rata. 4. Atur jarak antara celah elektroda sejauh 0.5 cm. 5. Hubungkan bejana berisi minyak dengan rangkaian percobaan. 6. Naikkan tegangan hingga mencapai tegangan gagalnya. 7. Catat besarnya tegangan gagal. 8. Matikan alat percobaan. 9. Aduk isolator zat cair dalam bejana secara perlahan, untuk menghilangkan gelembung udara sewaktu terjadi kegagalan. 10. Ubah jarak antar celah elektroda menjadi 1 cm dan 1.5 cm. 11. Ulangi percobaan mulai dari point 5 hingga point Ulangi percobaan untuk jumlah partikel ketakmurnian padat (bubuk arang) sebanyak 2 dan 3 cup (isi ulang bejana dengan isolator zat cair yang baru). 14