bab ii gardu trafo distribusi

BAB II
GARDU TRAFO DISTRIBUSI
II.1
Umum
Gardu trafo distribusiberlokasi dekat dengan konsumen. Transformator
dipasang pada tiang listrik dan menyatu dengan jaringan listrik. Untuk
mengamankan transformator dan sistemnya, gardu dilengkapi dengan unit-unit
pengaman. Karena tegangan yang masih tinggi belum dapat digunakan untuk
mencatu beban secara langsung, kecuali pada beban yang didisain khusus, maka
digunakan transformator penurun tegangan ( step down) yang berfungsi untuk
menurunkan tegangan menengah 20kV ke tegangan rendah 400/230Volt. Gardu
trafo distribusi ini terdiri dari dua sisi, yaitu : sisi primer dan sisi sekunder.
Sisi primer merupakan saluran yang akan mensuplay ke bagian sisi
sekunder. Unit peralatan yang termasuk sisi primer adalah :
a. Saluran sambungan dari SUTM ke unit transformator (primer trafo).
b. Fuse cut out.
c. Ligthning arrester.
Gardu trafo distribusi ditunjukkan pada Gambar 2.1.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Gardu Trafo Distribusi
II.2
Transformator Distribusi
Tujuan dari penggunaan transformator distribusi adalah untuk mengurangi
tegangan utama dari sistem distribusi listrik untuk tegangan pemanfaatan
penggunaan konsumen.Transformator distribusi yang umum digunakan adalah
transformator step-down 20kV/400V. Tegangan fasa ke fasa sistem jaringan
tegangan rendah adalah 380 V. Karena terjadi drop tegangan, maka pada tegangan
rendahnya dibuat diatas 380V agar tegangan pada ujung penerima tidak lebih
kecil dari 380V. Sebuah transformator distribusi perangkat statis yang dibangun
dengan dua atau lebih gulungan digunakan untuk mentransfer daya listrik arus
bolak-balik oleh induksi elektromagnetik dari satu sirkuit ke yang lain pada
Universitas Sumatera Utara
frekuensi yang sama tetapi dengan nilai-nilai yang berbeda tegangan dan arusnya.
Transformator distribusi yang terpasang pada tiang dapat dikategorikan
menjadi :
 Conventional transformers
 Completely self-protecting ( CSP ) transformers
 Completely self-protecting for secondary banking ( CSPB ) transformers
Conventional transformers tidak memiliki peralatan proteksi terintegrasi
terhadap petir,gangguan dan beban lebih sebagai bagian dari trafo. Oleh karena itu
dibutuhkan fuse cutout untuk menghubungkan conventional transformers dengan
jaringan distribusi primer. Lightning arrester juga perlu ditambahkan untuk trafo
jenis ini.
Completely self-protecting ( CSP ) transformers memiliki peralatan
proteksi terintegrasi terhadap petir, baban lebih, dan hubung singkat. Lightning
arrester terpasang langsung pada tangki trafo sebagai proteksi terhadap petir.
Untuk proteksi terhadap beban lebih, digunakan fuse yang dipasang di dalam
tangki. Fuse ini disebut weak link. Proteksi trafo terhadap gangguan internal
menggunakan hubungan proteksi internal yang dipasang antara beliran primer
dengan bushing primer.
Completely self-protecting for secondary banking ( CSPB ) transformers
mirip dengan CSP transformers, tetapi pada trafo jenis ini terdapat sebuah circuit
breaker pada sisi sekunder, circuit breaker ini akan membuka sebelum weak link
melebur.
Universitas Sumatera Utara
II.2.1 Konstruksi Transformator
Transformator merupakan alat listrik statis yang digunakan untuk
memindahkan daya dari satu rangkaian ke rangkaian yang lain dengan mengubah
tegangan, tanpa mengubah daya dan frekuensi. Transformator terdiri dari dua
kumparan yang saling berinduksi ( mutual inductance ). Kumparan ini terdiri dari
lilitan konduktor berisolasi sehingga kedua kumparan tersebut terisolasi secara
elektrik antara yang satu dengan yang lain. Ratio perubahan tegangan tergantung
dari ratio perbandingan jumlah lilitan kedua kumparan itu. Kumparan yang
menerima daya listrik disebut kumparan primer sedangkan kumparan yang
terhubung ke beban disebut kumparan sekunder. Kedua kumparan itu dililitkan
pada suatu inti yang terbuat dari laminasi lembaran baja yang kemudian
dimasukkan ke dalam tangki berisi minyak trafo.
Apabila kumparan primer dialiri arus listrik bolak – balik, maka akan
timbul fluks magnetik bolak – balik sepanjang inti yang akan menginduksi
kumparan sekunder sehingga kumparan sekunder akan menghasilkan tegangan.
Konstruksi dasar transformator ditunjukkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Konstruksi Dasar Transformator
Universitas Sumatera Utara
Apabila trafo diasumsi sebagai trafo ideal dimana tidak terjadi rugi-rugi
daya pada trafo, maka daya pada kumparan primer (P1) sama dengan daya pada
kumparan sekunder (P2). Besar tegangan dan arus pada kumparan sekunder diatur
menggunakan perbandingan banyaknya lilitan antara kumparan primer dan
kumparan sekunder berdasarkan rumus :
Np
Ns

Vp
Vs

Is
Ip
........................................................................... (2.1)
dimana :
Np
= Banyaknya lilitan kumparan sisi primer
Ns
= Banyaknya lilitan kumparan sisi sekunder
Vp
= Tegangan sisi primer (V)
Vs
= Tegangan sisi sekunder (V)
Ip
= Arus sisi primer (Amp)
Is
= Arus sisi sekunder (Amp)
II.2.2 Prinsip Kerja Transformator
Transformator miliki dua kumparan yaitu kumparan primer dan kumparan
sekunder, dan kedua kumparan ini bersifat induktif. Kedua kumparan ini terpisah
secara elektris namun berhubungan secara magnetis melalui jalur yang memiliki
reluktansi ( reluctance ) rendah. Apabila kumparan primer dihubungkan dengan
sumber tegangan bolak-balik maka fluks bolak-balik akan muncul di dalam inti
yang dilaminasi, karena kumparan tersebut membentuk jaringan tertutup maka
mengalirlah arus primer. Akibat adanya fluks di kumparan primer maka di
kumparan primer terjadi induksi ( self induction ) dan terjadi pula induksi di
kumparan sekunder karena pengaruh induksi dari kumparan primer atau disebut
Universitas Sumatera Utara
sebagai induksi bersama ( mutual induction ) yang menyebabkan timbulnya
fluksmagnet di kumparan sekunder, maka mengalirlah arus sekunder jika
rangkaian sekunder dibebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan.
e  () N
d
(Volt)
dt
………………………………………………... (2.2)
dimana :
e
= Gaya gerak listrik (Volt)
N
= Banyaknya lilitan
d
dt
= Perubahan fluks magnetik (weber/sec)
Tujuan utama menggunakan inti pada transformator adalah untuk
mengurangi reluktansi (tahanan magnetis) dari rangkaian magnetis (common
magnetic circuit).
II.2.3 Inti Transformator
Secara umum inti transformator dibedakan menjadi dua jenis, yaitu tipe
inti (core type), dan tipe cangkang (shell type). Tipe inti dibentuk dari lapisan besi
berisolasi berbentuk persegi panjang dan kumparan transformatornya dibelitkan
pada dua sisi persegi.
Sedangkan tipe cangkang dibentuk dari lapisan inti berisolasi dan
kumparan transformatornya di belitkan di pusat inti. Transformator dengan tipe
konstruksi shell memiliki kehandalan yang lebih tinggi dari pada tipe konstruksi
core dalam menghadapi tekanan mekanis yang kuat pada saat terjadi hubung
singkat. Kedua tipe inti transformator ini ditunjukkan pada Gambar 2.3.
Universitas Sumatera Utara
(a) Tipe Inti
(b) Tipe Cangkang
Gambar 2.3Inti Transformator
II.2.4 Minyak Transformator
Minyak transformator memegang peranan penting dalam sistem isolasi
trafo dan juga berfungsi sebagai pendingin untuk menghilangkan panas akibat
rugi-rugi daya pada trafo. Kandungan utama minyak trafo adalah naftalin, parafin
dan aromatik. Keuntungan minyak trafo sebagai isolator dalam trafo adalah :

Isolasi cair memiliki kerapatan 1000 kali atau lebih dibandingkan dengan
isolasi gas, sehingga memiliki kekuatan dielektrik yang lebih tinggi.

Isolasi cairakan mengisicelah atau ruang yang akan diisolasi dan secara
serentak melalui proses konversi menghilangkan panas yang timbul akibat
rugi daya.

Isolasi cair cenderung dapat memperbaiki diri sendiri (self healing) jika
terjadi pelepasan muatan (discharge).
Kekuatan dielektrikadalah ukuran kemampuan elektrik suatu material
sebagai isolator. Kekuatan dielektrik didefenisikan sebagai tegangan maksimum
yang dibutuhkan untuk mengakibatkan dielectric breakdown pada material yang
dinyatakan dalam satuan Volt/m. Semakin tinggi kekuatan dielektrik minyak
trafo, maka semakin bagus kualitas minyak tersebut sebagai isolator. Hasil uji
kekuatan dielektrikyang rendah, menunjukkan adanya benda-benda pengotor
minyak seperti air atau partikel penghantar dalam minyak. Sebaliknya, apabila
Universitas Sumatera Utara
hasil uji kekuatan dielektrik tinggi, bukan berarti bahwa tidak terjadi pengotoran
dalam minyak tersebut.
Untuk mencegah kemungkinan timbulnya kebakaran pada peralatan, perlu
dipilih minyak dengan titik nyala yang tinggi. Titik nyala minyak baru tidak boleh
lebih kecil dari 135 °C, sedangkan untuk minyak bekas tidak boleh kurang dari
130 °C.
Menurut SNI 04 - 6954.2 - 2004 batas kenaikan suhu minyak bagian atas
yang diperbolehkan adalah 60 °K pada suhu lingkungan sekitar normal ( 25°C
sampai 40°C ).
II.2.5 Bushing Transformator
Untuk tujuan keamanan, konduktor tegangan tinggi dilewatkan menerobos
suatu bidang yang dibumikan melalui suatu lubang terbuka yang dibuat sekecil
mungkin dan biasanya membutuhkan suatu pengikat padu yang disebut
bushing.Konstruksi suatu bushing sederhana ditunjukkan pada Gambar 2.4.
Gambar2.4Konstruksi Suatu Bushing Sederhana
Bagian utama suatubushingterdiri dari inti atau konduktor, bahan
dielektrik dan flans yang terbuat dari logam. Inti berfungsi untuk menyalurkan
arus dari bagian dalam peralatan ke terminal luar dan bekerja pada tegangan
tinggi. Dengan bantuan flans, isolator diikatkan pada badan peralatan yang
Universitas Sumatera Utara
dibumikan.
II.2.6 Sistem Pendingin Transformator
Sistem pendinginan trafo dapat dikelompokkan sebagai berikut :
1. ONAN ( Oil Natural Air Natural )
Sistem pendingin ini menggunakan sirkulasi minyak dan sirkulasi udara
secara alamiah. Sirkulasi minyak yang terjadi disebabkan oleh perbedaan berat
jenis antara minyak yang dingin dengan minyak yang panas.
2. ONAF ( Oil Natural Air Force )
Sistem pendingin ini menggunakan sirkulasi minyak secara alami
sedangkan sirkulasi udaranya secara buatan, yaitu dengan menggunakan
hembusan kipas angin yang digerakkan oleh motor listrik. Pada umumnya operasi
trafo dimulai dengan ONAN atau dengan ONAF tetapi hanya sebagian kipas
angin yang berputar. Apabila suhu trafo sudah semakin meningkat, maka kipas
angin yang lainnya akan berputar secara bertahap.
3. OFAF ( Oil Force Air Force )
Pada sistem ini, sirkulasi minyak digerakkan dengan menggunakan
kekuatan pompa, sedangkan sirkulasi udara mengunakan kipas angin.
II.3
Gangguan Pada Gardu Trafo Distribusi
II.3.1 Gangguan Sambaran Petir
Gangguan sambaran petir dibagi atas dua, yaitu sambaran langsung dan
Universitas Sumatera Utara
sambaran tidak langsung. Sambaran langsung adalah sambaran petir dari awan
yang langsung menyambar jaringan sehingga menyebabkan naiknya tegangan
dengan cepat. Daerah yang terkena sambaran dapat terjadi pada tower dan juga
kawat penghantar. Besarnya tegangan dan arus akibat sambaran ini tergantung
pada besar arus kilat, waktu muka, dan jenis tiang saluran. Sambaran tidak
langsung atau sambaran induksi adalah sambaran petir ke bumi atau sambaran
petir dari awan ke awan di dekat saluran sehingga menyebabkan timbulnya
muatan induksi pada jaringan.
Pada saluran udara tegangan menengah (SUTM), gangguan akibat
sambaran tidak langsung ini tidak boleh diabaikan. Gangguan akibat sambaran
tidak langsung ini pada umumnya lebih banyak terjadi dibandingkan akibat
sambaran langsung, dikarenakan luasnya daerah sambaran induksi. Spesifikasi
gelombang petir ditunjukkan pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Spesifikasi Gelombang Petir
Spesifikasi dari suatu gelombang petir :
a) Puncak (crest) gelombang, E (kV), yaitu amplitudo maksimum dari
Universitas Sumatera Utara
gelombang.
b) Muka (front) gelombang, t1 (mikrodetik), yaitu waktu dari permulaan
sampai puncak. Ini diambil dari 10% E sampai 90% E.
c) Ekor (tril) gelombang, yaitu bagian belakang puncak.
Panjang gelombang, t2 (mikrodetik), yaitu waktu dari permulaan sampai
titik 50% E pada ekor gelombang.
II.3.2 Gangguan Hubung Singkat
Hubung singkat dapat terjadi melalui dua atau tiga saluran fasa sistem
distribusi. Arus lebih yang dihasilkan hubung singkat tergantung pada besar
kapasitas daya penyulang, besar tegangan, dan besar impedansi rangkaian yang
mengalami gangguan. Hubung singkat menghasilkan panas yang cukup tinggi
pada sisi primer trafo sebagai akibat dari naiknya rugi-rugi tembaga sebagai
perbandingan dari kuadrat arus gangguan. Arus gangguan yang besar ini
mengakibatkan tekanan mekanik (mechanical stress) yang tinggi pada trafo.
Arus hubung singkat pada trafo dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan :
I sc 
S .100
%Z . 3.V
........................................................................... (2.3)
dimana :
S
= Daya trafo (kVA)
%Z
= Impedansi trafo dalam persen
V
= Tegangan fasa-fasa pada sisi tegangan rendah (kV)
Universitas Sumatera Utara
Dari rumus
VL N
I f .3  
Z1
I f .L L 
A …….………………………………………………... (2.4)
j 3.VL  N
A ………………………………………………... (2.5)
2.Z 1
maka dapat diperoleh
I f .L L 
3
 I f .3 A ………………………………………………... (2.6)
2
I f . L  L  0.866  I f .3 A ……………………………………………… (2.7)
dimana,
I f 3
= Arus gangguan 3 fasa (A)
I f . L  L = Arus gangguan fasa ke fasa (A)
VL  N
= Tegangan fasa ke netral (V)
Z1
= Impedansi total urutan positif (Ω)
Arus beban penuh dapat diketahui dengan menggunakan persamaan :
I FL 
S
3.V
………………………………………………………... (2.8)
dimana,
S
= Daya trafo 3 fasa (VA)
V
= Tegangan fasa-fasa pada sisi tegangan rendah (V)
II.3.3 Gangguan Kegagalan Minyak Transformator
Kegagalan isolasi (insulation breakdown) minyak trafo disebabkan oleh
beberapa hal antara lain minyak trafo tersebut sudah lama dipakai, berkurangnya
Universitas Sumatera Utara
kekuatan dielektrik dankarena isolasi tersebut dikenakan tegangan lebih. Pada
prinsipnya tegangan pada isolator merupakan suatu tarikan atau tekanan (stress)
yang harus dilawan oleh gaya dalam isolator itu sendiri agar isolator tersebut tidak
gagal. Dalam struktur molekul material isolator, 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 akan 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. Karakteristik
isolator akan berubah bila material kemasukan suatu ketidakmurnian (impurity)
seperti adanya arang atau kelembaban dalam isolasi yang dapat menurunkan
tegangan tembus.
Oksigen yang terdapat di udara yang berhubungan dengan minyak yang
panas dapat mengakibatkan terjadinya oksidasi dan terbentuknya bahan asam dan
endapan. Kadar asam yang terdapat pada minyak trafo merupakan suatu ukuran
taraf deteriorasi dan kecenderungan untuk membentuk endapan. Endapan ini
sangat mengganggu karena melekat pada semua permukaan trafo dan mempersulit
proses pendinginan. Endapan ini juga akan meningkatkan kemungkinan terjadinya
bunga api antara bagian-bagian trafo yang terbuka. Suatu endapan setelah
mencapai tebal 0,2 mm sampai 0,4 mm pada inti dan kumparan akan dapat
meningkatkan suhu sampai 10°C sampai 15°C.
Bila dalam minyak terdapat kelembaban, maka kelembaban tersebut dapat
membentuk jalur-jalur yang membuka jalan terhadap terjadinya hubung singkat.
Kelembaban tidak saja menurunkan daya isolasi minyak, melainkan kelembaban
Universitas Sumatera Utara
itu dapat pula diserap oleh bahan isolasi lainnya, sehingga seluruh trafo menjadi
terancam.
II.4
Proteksi Pada Gardu Trafo Distribusi
II.4.1 Fuse
Fuse adalah peralatan proteksi arus lebih yang bekerja dengan
menggunakan prinsip melebur. Terdapat dua tipe fuse berdasarkan kecepatan
melebur elemen fusenya (fuse link), yaitu tipe K (cepat) dan tipe T (lambat).
Fuse yang didesain untuk digunakan pada tegangan diatas 600V
dikategorikan sebagai fuse cutout. Fuse cutoutjenis ekspulsi (expulsion type)
adalah jenis yang paling sering digunakan pada sistem distribusi saluran udara.
Fuse jenis inimenggunakan elemen fuse yang relatif pendek yang dipasang di
dalam fuse catridge.
Pada umumnya fuse cutout dipasang antara trafo distribusi dengan saluran
distribusi primer. Pada saat terjadi gangguan, elemen fuse akan melebur dan
memutuskan rangkaian sehingga akan melindungi trafo distribusi dari kerusakan
akibat gangguan dan arus lebih pada saluran primer, atau sebaliknya memutuskan
saluran primer dari trafo distribusi apabila terjadi gangguan pada trafo atau
jaringan sisi sekunder sehingga akan mencegah terjadinya pemadaman pada
seluruh jaringan primer.
II.4.2 Lightning Arrester
Penggunaan lightning arrester pada sistem distribusi adalah untuk
melindungi peralatan dari gangguan akibat sambaran petir. Arrester juga
Universitas Sumatera Utara
dipergunakan untuk melindungi saluran distribusi dari flashover. Arrester
dipasang pada peralatan yang dihubungkan dari fasa konduktor ke tanah.
Agar perlindungan saluran menjadi lebih efektif, arrester harus dipasang pada
setiap fasa pada tiap tiang. Pada saat sistem bekerja keadaan normal, arrester
memiliki sifat sebagai isolator. Apabila terjadi sambaran petir, arrester akan
berubah menjadi konduktor dan membuat jalan pintas (bypass) ke tanah yang
mudah dilalui oleh arus petir, sehingga tidak menimbulkan tegangan lebih yang
tinggi pada trafo. Jalur ke tanah tersebut harus sedemikian rupa sehingga tidak
akan mengganggu aliran daya normal. Setelah petir hilang, arrester harus menutup
dengan cepat kembali menjadi isolator, sehingga tidak mengakibatkan pemutus
daya terbuka. Pada kondisi operasi normal, arus bocor pada arrester tidak boleh
melebihi 2 mA. Apabila arus bocor melebihi angka tersebut, kemungkinan besar
arrester mengalami kerusakan.
Pada saluran distribusi, arrester yang biasanya digunakan adalah arrester
jenis katub (valve type). Arrester jenis katub terdiri dari sela percik dan sela seri
yang terhubung dengan elemen tahanan yang mempunyai karakteristik tidak
linier. Tegangan frekuensi dasar tidak dapat menimbulkan tembus pada sela seri.
Apabila sela seri tembus pada saat tibanya suatu surja yang cukup tinggi,
sela tersebut berfungsi menjadi penghantar. Sela seri tidak bisa memutuskan arus
susulan. Dalam hal ini sela seri dibantu oleh tahanan non linier yang mempunyai
karakteristik tahanan kecil untuk arus besar dan tahanan besar untuk arus susulan
dari frekuensi dasar. Lightning arrester jenis katub ditunjukkan pada Gambar 2.6.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6Lightning Arrester Jenis Katub
II.5
Pembumian ( Grounding )
Pembumian adalah penghubungan suatu bagian dari rangkaian listrik atau
bagian yang bersifat konduktor tetapi bukan bagian dari rangkaian listrik yang
pada keadaan normal tidak bertegangan ke bumi.
Tujuan dari pembumian adalah :

Mengurangi tegangan kejut listrik pada peralatan.

Memberi jalan bagi arus gangguan, baik akibat terjadinya arus hubung
singkat ke tanah maupun akibat terjadinya sambaran petir.

Untuk membatasi tegangan pada fasa yang tidak mengalami gangguan.
Sesuai dengan SNI 04-0225-2000 Pasal 3.13.2.10 dan Pasal 3.19.1.4, nilai
tahanan pembumian seluruh sistem tidak boleh lebih besar dari 5 Ω dan jarak
antar elektroda pembumian minimal 2 kali panjang elektroda. Resistivitas tanah
dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
  2 .a.R ....................................................................................... (2.9)
dimana,
ρ
= Resistivitas tanah (Ωm)
Universitas Sumatera Utara
II.6
a
= Jarak antara elektroda (m)
R
= Tahanan (Ω)
Tiang
Pada umumnya tiang listrik yang sekarang pada Saluran Udara Tegangan
Menengah ( SUTM ) 20 kV terbuat dari beton bertulang dan tiang besi.
Pemakaian tiang kayu sudah jarang digunakan karena daya tahannya ( umurnya )
relatif pendek dan memerlukan pemeliharaan khusus.
Dilihat dari fungsinya, tiang listrik dibedakan menjadi dua yaitu tiang
pemikul dan tiang tarik. Tiang pemikul berfungsi untuk memikul konduktor dan
isolator,sedangkan tiang tarik berfungsi untuk menarik konduktor.
Pada SUTM 20 kV, jarak antar tiang ditetapkan sebesar 40 meter, tetapi
jarak tersebut perlu disesuaikan dengan kondisi wilayah sehingga diberi standar
yang jelas sejauh 30 - 50 meter. Untuk pemasangan tiang, sudah ada standar untuk
kedalaman tiang yang harus ditanam dibawah permukaan tanah yaitu 1/6 dari
panjang tiang.
Universitas Sumatera Utara