analisa pemilihan trafo distribusi berdasarkan biaya rugi

ANALISA PEMILIHAN TRAFO DISTRIBUSI BERDASARKAN
BIAYA RUGI-RUGI DAYA DENGAN METODE NILAI
TAHUNAN
Rizky Ferdinan, Eddy Warman
Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU)
Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA
e-mail : [email protected]
Abstrak
Setiap instalasi PLN dan industri tentunya membutuhkan trafo sebagai alat untuk mengubah tegangan
tinggi menjadi tegangan rendah atau sebaliknya. Panjangnya jaringan listrik PLN tentu memerlukan
banyak trafo dan peralatan lainnya dalam mendistribusikan tenaga listrik untuk melayani konsumen.
Oleh karena itu kita harus mengelola dan mengetahui cara pemilihan trafo. Pada jurnal ini dihitung biaya
rugi daya pada dua trafo dengan kapasitas yang sama sebesar 400 kVA untuk memilih trafo yang
memiliki biaya rugi-rugi yang lebih kecil. Walaupun dua buah trafo memiliki kapasitas daya yang sama
besar, besarnya rugi tanpa beban dan rugi berbeban pada dua trafo dapat berbeda. Pada jurnal ini rugirugi daya yang dihitung bergantung pada rugitrafo tanpa bebantrafo dan rugi trafo berbeban. Kedua rugirugi ini dijumlahkan untuk mendapatkan total rugi trafo. Pada trafo 1 rugi daya total sebesar 5325 W dan
trafo 2 sebesar 5440 W. Dari jumlah rugi daya total ini dihitung biaya rugi daya setiap trafo. Untuk total
biaya rugi daya berbeban pada trafo I lebih kecil sebesar Rp. 15.824.186,64 dibandingkan dengan trafo II
sebesar Rp. 16.067.802,24.
Kata Kunci : Trafo Distribusi, Biaya Rugi Daya Trafo.
rugi tembaga. Dengan adanya rugi-rugi tersebut,
1. Pendahuluan
PT PLN (Persero) adalah penyedia listrik
Negara yang ada di Indonesia. Dalam penyaluran
daya listrik, tidak seluruhnya dapat disalurkan
kepada konsumen, karena akan hilang dalam bentuk
susut energi. Sarana dan Prasarana yang baik sangat
dibutuhkan dalam perkembangan teknologi
sekarang ini. Saatini, energi listrik sangat
dibutuhkan
untuk
mendukung
pertumbuhanpembangunan di Indonesia. Adanya
arus listrik bolak-balik yang mengalir pada inti besi
sebuah trafo maka inti besi akan berubah menjadi
magnet. Apabila inti besi tersebut dikelilingi oleh
suatu belitan, maka pada kedua ujung belitan
tersebut akan timbul beda tegangan sehingga
menimbulkan gaya gerak listrik.
Gaya gerak listrik yang mengalir terus menerus
pada inti besi akan menimbulkan panas oleh arus
eddy (eddy current). Untuk memperoleh besarnya
rugi-rugi inti maka trafo akan diuji dengan member
tegangan pada sirkit trafo dalam keadaan terbuka.
Sedangkan untuk memperoleh besarnya rugi
tembaga, tahanan pada rangkaian dialiri arus beban.
Karena rugi ini terjadi pada belitan trafo yang
terbuat dari tembaga maka rugi ini sering disebut
penulis akan membandingkan dua buah trafo
yang memiliki rugi-rugi yang berbeda terhadap
besar biayanya.
2. Transformator
Transformator merupakan suatu alat listrik
yang mengubah tegangan arus bolak-balik dari satu
tingkat ke tingkat yang lain melalui suatu
gandengan magnetdan berdasarkan prinsip-prinsip
induksi-elektromagnet. Transformator terdiri atas
sebuah inti, yang terbuat dari besi berlapis dan dua
buah kumparan, yaitu kumparan primer dan
kumparan sekunder. Penggunaan transformator
yang sederhana dan handal memungkinkan
dipilihnya tegangan yang sesuai dan ekonomis
untuk tiap-tiap keperluan serta merupakan salah
satu sebab penting bahwa arus bolak-balik sangat
banyak dipergunakan untuk pembangkitan dan
penyaluran tenaga listrik.
Di dalam suatu sistem distribusi tenaga listrik,
transformator distribusi dipergunakan untuk
menurunkan tegangan penyulang utama (primary
feeder) menjadi tegangan rendah (sekunder) yang
langsung digunakan oleh para pemakai energy
listrik (konsumen).
Transformator
distribusi
dihubungkan
langsung dengan beban melalui jaringan sekunder
dan lokasi pemasangannya tersebar dibanyak tempat
dengan jarak beberapa ratus meter atau sampai
beberapa kilometer, tergantung pada kapasitas
transformator dan besar beban yang dilayani.
Menurut standart NEMA (The Nationa;
Electrical Manufactures Association), transformator
dengan 3 kVA sampai dengan 500kVA
diklasifikasikan
i. Untuk transformator distribusi 1 θ :rating dari 3
kVA sd 500 kVA
ii. Untuk transformator distribusi 3 θ : rating dari
9 kVA sd 1600 kVA
iii. Untuk transformator –transformator yang
ratingnya lebih besar dari 1600 kVA,
diklarifikasikan sebagai transformator tenaga.
Sekarang di Indonesia telah banyak dijumpai
transformator distribusi dengan rating lebih besar
dari 500 kVA.
Transformator terdiri atas dua buah kumparan
(primer dan sekunder) yang bersifat induktif. Kedua
kumparan ini terpisah secara elektris namun
berhubungan secara megnetis melalui jalur yang
memiliki reluktansi 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 sebagai induksi
bersama (mutual induction) yang menyebabkan
timbulnya fluks magnet di kumparan sekunder,
maka mengalirlah arus sekunder jika rangkaian
sekunder dibebani, sehingga energi listrik dapat
ditransfer keseluruhan (secara magnetisasi).
𝑑𝛷
𝑒 = −𝑁 𝑑𝑡 (𝑉𝑜𝑙𝑡)
(1)
Dimana :
e = gaya gerak listrik (Volt)
N = jumlah lilitan (turn)
𝑑𝛷
= perubahan fluks magnet (weber/sec)
𝑑𝑡
Dalam kondisi ideal, tanpa rugi-rugi,
perbandingan lilitan antara keduanya merupakan
perbandingan tegangan antara kedua sisinya.Namun
pada kenyataannya, daya masukkan tidak pernah
sama dengan daya keluaran. Terdapat rugi-rugi
yang terjadi di inti besi dan lilitan. Rugi-rugi
tersebut terjadi akibat histerisis, arus eddy,
resistansi belitan dan fluks bocor.Dalam model
rangkaian (rangkaian ekivalen) yang dipakai untuk
menganalisis kerja suatu transformator, adanya
fluks bocor Φ1 dan Φ2 ditunjukkan sebagai
reaktansi X1 dan X2. Sedangkan rugi tahanan
ditunjukkan dengan R1 dan R2. Dengan demikian
model rangkaian dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Rangkaian ekivalen tranformator
Rugi-rugi
pada
transformator
dapat
diklasifikasikan atas rugi-rugi primer, rugi-rugi
sekunder dan rugi-rugi inti (besi). Rugi-rugi primer
dan sekunder adalah rugi-rugi daya nyata dalam
I2Rwatt. Rugi-rugi ini akibat resistansi dari masingmasing belitan, yaitu belitan primer dan sekunder.
Apabila transformator tidak dibebani, maka rugirugi daya pada sekunder adalah nol. Berikut skema
dari rugi-rugi yang ada pada transformator pada
Gambar 2.
Gambar 2. Blok diagram rugi-rugi pada
transformator
i. Rugi Tembaga (PCu)
Rugi yang disebabkan arus mengalir pada
kawat tembaga dapat ditulis sebagai berikut :
PCu= I2R(watt)
(2)
Formula ini merupakan perhitungan untuk
pendekatan. Karena arus beban berubah-ubah, rugi
tembaga juga tidak konstan bergantung pada beban.
Dan perlu diperhatikan pula resistansi disini
merupakan resistansi AC.
ii. Rugi Besi (Pi)
Rugi inti atau rugi besi pada transformator juga
adalah rugi dalam watt. Rugi inti pada transformator
terdiri atas dua bagian, yaitu rugi hysteresis dan
eddy current. Adapun penjelasan tentang kedua
jenis rugi inti tersebut adalah sebagai berikut :
iii. Rugi Hysteresis, yaitu rugi-rugi yang
disebabkan oleh fluks bolak-balik pada inti besi
yang dinyatakan sebagai :
1,6
Ph=𝐾ℎ 𝑓 2 𝐵𝑚𝑎𝑥
(watt)
(3)
Dimana :
Kh = Konstanta
Bmax = Fluks maksimum (weber)
iv. Rugi Eddy Current, yaitu rugi-rugi yang
disebabkan oleh arus pusar pada inti besi yang
dinyatakan sebagai :
2
Pe=𝐾𝑒 𝑓 2 𝐵𝑚𝑎𝑥
(watt)
(4)
Dimana :
Kh = Konstanta
Bmax = Fluks maksimum (weber)
Jadi rugi besi (inti) adalah
Pi = Ph + Pe (watt)
Rb
Smaks
Fr
k
= rugi daya berbeban trafo
= Daya maksimal trafo (KVA)
= Faktor rugi-rugi
= Faktor pertumbuhan beban
[(1+𝑟)2 [(1+𝑖)𝑛 (1+𝑟)2𝑛 ]].𝑖
k = [(1+𝑖)−(1+𝑟)2 ][(1+𝑖)𝑛 −1]
(9)
Dimana :
i = tingkat bunga pertahun
r = tingkat pertumbuhan beban pertahun
n = jumlah tahun pengusahaan
Jadi biaya rugi-rugi daya total setiap tahun adalah :
Brt (n) = Btb (n) n = jumlah tahun pengusahaan
Jadi biaya rugi-rugi daya total setiap tahun adalah :
Brt (n) = Btb (n) + Bb (n)
= ( Bdl + 8760.Btl ).Rtb + ( Bdl.Rf +
Fr.8760.Btl).Rdb (Smaks/Sn)2
(10)
(5)
Perhitungan biaya rugi-rugi daya pada
transformator distribusi terdiri dari dua yaitu
perhitungan biaya rugi daya tanpa beban dan biaya
rugi daya berbeban. Hasil dari kedua biaya ini
merupakan biaya total untuk transformator.
Rugi-rugi yang terjadi pada inti besi trafo
merupakan rugi-rugi daya tanpa beban. Besarnya
rugi rugi ini dapat diukur saat trafo tidak dibebani.
Besarnya rugi daya tanpa beban adalah tetap dan
dapat dihitung dengan persamaan 6.
Faktor rugi-rugi trafo dapat
persamaan
Fr = Fb (c) + (1-c) Fb2
dicari
dengan
(11)
𝑃𝑟
Dimana : Fb = 𝑃𝑚𝑎𝑥 𝑥 100%
Fb
= Faktor beban [3]
Pr
= Daya rata-rata
Pmax
= Daya yang tertinggi saat beban puncak
c
= Konstanta untuk sistem distribusi 0.15
dan sistem transmisi 0.3
3. Metode Penelitian
Btb = ( 8760 x Btl ).Rbn
(6)
Dimana :
Btb = Biaya rugi daya tanpa beban (Rp/tahun)
8760 = jumlah waktu dalam satu tahun (jam/tahun)
Btl
= Biaya tenaga listrik (Rp/Kw per tahun)
Rbn = Rugi daya tanpa beban/ rugi beban nol
(Kw)
Biaya rugi-rugi daya berbeban besarnya akan
berubah berdasarkan perubahan beban unit trafo
yang ada. Jika beban naik, maka rugi-rugi daya
berbeban akan naik juga sehingga biayanya akan
naik juga. [1] [2] Dalam perhitungan biayanya harus
dimasukkan
factor
pertumbuhan
beban,
responsibility factor, dan factor rugi-rugi. Biaya
rugi-rugi berbeban dapat dihitung dengan
persamaan 8.
Bb = ( Fr.8760.Btl ).Rb (Pmaks/Sn)2.k
(8)
Dimana :
Bb
= Biaya rugi daya berbeban tahun ke-n
(Rp/thn)
Penelitian ini dilakukan dengan
pengambilan data pembebanan trafo distribusi
PT. PLN (PERSERO).
Data trafo pada Tabel 1merupakan
trasnformator distribusi yang dibandingkan
memiliki kapasitas sama yaitu 400 kVA.
Tabel 1. Spesifikasi trafo I dan II
Trafo I
Kapasitas trafo
400 kVA
Phasa trafo
3
Tegangan primer
20 kV
Tegangan
sekunder
Impedansi
Frekuensi
Hubungan belitan
Rugi Besi
Rugi Tembaga
Berat Trafo
cara
pada
Trafo II
400kVA
3
20 kV
400 V
400 V
4%
50 Hz
Dyn5
925 W
4400 W
1600 Kg
4%
50 Hz
Dyn5
840 W
4600 W
1300 Kg
dua
dan
4. Perhitungan Total Biaya Rugi Daya
Untuk menghitung besarnya rugi daya total
pada trasformator diperlukan data pengujian tanpa
beban (rugi besi) dan pengujian berbeban (rugi
tembaga) yang sudah terdapat pada masing-masing
trafo distribusi. Nilai rugi-rugi daya aktif dari data
rugi besi dan rugi tembaga akan dihitung biaya yang
dihasilkan serta menghitung nilai investasi dari
masing-masing transformator.
Untuk menghitung besar rugi daya berbeban,
maka diperlukan faktor kerugian, beban maksimum
trafo, serta faktor K. Faktor-faktor diatas dapat
diperoleh dari data pembebanan trafo distribusi
yang terpasang pada Tabel 2.
Tabel 2. Data trafo distribusi terpasang
Alamat
M.Yamin
Kode UPJ/Nama UPJ 12001/ MEDAN KOTA
Gardu induk
Glugur
Penyulang
GU3
Kode gardu
MK211-1
Tipe gardu
Gardu portal
Pembebanan
58,1 %
Temperatur
37 °C
Power factor
0,965
Kurva beban harian dari trafo distribusi untuk
trafo terpasang diatas dapat dilihat pada Gambar 3.
23:00
21:00
19:00
17:00
15:00
13:00
11:00
9:00
7:00
5:00
3:00
daya
1:00
Daya trafo
kurva beban harian
300
270
240
210
180
150
120
90
60
30
0
Gambar 3. Kurva beban harian
58,1
Daya terpasang = 100 × 400 𝑘𝑉𝐴 = 232,40 𝑘𝑉𝐴 =
224.3 kW
Dari gambar 2 dapat dilihat daya puncak = 206,58
kW
3622,37
Daya rata-rata = 24 = 150,932 𝑘𝑊
Untuk mencari faktor kerugian dapat dihitung
dengan persamaan [1] :
Faktor kerugian = Faktor beban (c) + (1-c) (Faktor
beban) 2
Dimana :
𝐷𝑎𝑦𝑎𝑟𝑎𝑡𝑎−𝑟𝑎𝑡𝑎
150,932
Faktor beban = 𝐷𝑎𝑦𝑎𝑝𝑢𝑛𝑐𝑎𝑘 = 206,588 = 0,73
Dari hasil yang diperoleh dari perhitungan
diatas maka :
Faktor kerugian = Faktor beban (c) + (1-c) (Faktor
beban) 2
= 0,73 (0,15) + (1-0,15) (0,73)2
= 0,109 + 0,453
= 0,56
Untuk kenaikan beban trafo terpasang dan
faktor K setiap tahunnya dapat dilihat pada Tabel 3.
Tabel 3. Daya terpasang dan factor K
Tahun
Daya Terpasang
Faktor K
1
232,4
1,02
2
245,95
1,23
3
258,22
1,27
4
275,46
1,31
5
291,52
1,37
6
308,52
1,41
7
326,5
1,46
8
345,53
1,52
9
365,68
1,56
10
387
1,62
Untuk perhitungan rugi daya tanpa beban dapat
dihitung sebagai berikut.
Untuk trafo I dengan rugi beban nol
(Rbn) = 925 Watt = 0,925 kW
Btb = ( 8760 x Btl ).Rbn
= ( 8760 x Rp. 1030,00 ) 0,925
= Rp. 8.346.090,00
Untuk trafo II dengan rugi beban nol
(Rbn) = 840 Watt = 0,840 kW
Btb = ( 8760 x Btl ).Rbn
= ( 8760 x Rp. 1030,00) 0,840
= Rp. 7.579.152,00
Untuk perhitungan rugi daya berbeban dapat
dihitung sebagai berikut.
Untuk trafo I
tembaga = 4400 Watt)
Rugi berbeban (rugi
Perhitungan untuk tahun pertama :
Bb = ( Fr . 8760 . Btl ). Rb . (Pmaks/Sn)2.k
= (0,56 . 8760 . Rp. 1030,00). 4,4 (232,4/400 )2.
1,02
= (Rp. 5.052.768,00) .(1,48)
= Rp. 7.478.096,64
Untuk trafo II Rugi berbeban (rugi tembaga =
4600 Watt)
Perhitungan untuk tahun pertama :
Besar biaya selama 10 tahun ke depan untuk
trafo I dan II dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel 4. Rugi Berbeban trafo I dan II
Tahun
Biaya Trafo I
Biaya Trafo II
1
Rp. 7.478.096,64
Rp. 8.488.650,24
2
Rp. 10.117.864,75 Rp. 11.065.561,92
3
Rp. 11.576.295,71 Rp. 12.530.864,64
4
Rp. 13.440.362.88 Rp. 14.653.027.20
5
Rp. 15.764.636,16 Rp. 17.179.411.20
6
Rp. 18.494.949,88 Rp. 19.705.795,20
7
Rp. 21.422.927,88 Rp. 22.396.697,33
8
Rp. 25.344.684,29 Rp. 26.496.715,39
9
Rp. 29.133.047,62 Rp. 30.821.884,80
10
Rp. 33.855.162,49 Rp. 35.874.652,80
Total biaya rugi daya dapat dihitung dengan
menjumlahkan biaya rugi daya tanpa beban dan rugi
biaya berbeban[4][5].
Biaya rugi daya total (n) = biaya rugi tanpa
beban(Btb) + biaya rugi berbeban(Bb)
Biaya rugi daya total untuk trafo I dapat
dihitung sebagai berikut :
Untuk tahun pertama
Biaya rugi daya total
= Rp. 7.629.679,68 + Rp. 8.346.090,00
= Rp. 15.975.769,68
Biaya rugi daya total untuk trafo II dapat
dihitung sebagai berikut :
Biaya rugi daya total
= Rp. 7.579.152,00 + Rp. 8.488.650,24
= Rp. 16.067.802,24
Untuk biaya rugi daya total sampai tahun
ke-10 dapat dilihat pada Tabel 5.
Tabel 5. Total biaya rugi daya trafo I dan II
Tahun
Biaya Trafo I
Biaya Trafo II
1
Rp. 15.824.186,64 Rp. 16.067.802,24
2
Rp. 18.463.954,75 Rp. 18.644.713,92
3
Rp. 19.922.385,71 Rp. 20.110.016,64
4
Rp. 21.786.452.88 Rp. 22.232.179,20
5
Rp. 24.110.726.16 Rp. 24.758.563,20
6
Rp. 26.841.039,88 Rp. 27.284.947,20
7
Rp. 29.769.017,88 Rp. 29.975.849,33
8
Rp. 33.690.774,29 Rp. 34.075.867,39
9
Rp. 37.479.137,62 Rp. 38.401.036,80
10
Rp. 42.201.252,49 Rp. 43.453.804,80
Juta
Bb = ( Fr . 8760 . Btl ). Rb . (Pmaks/Sn)2.k
= (0,56 . 8760 . Rp. 1030,00). 4,6 (232,4/400 )2.
1,02
= (Rp. 5.052.768) .(1,68)
= Rp. 8.488.650,24
44
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Total biaya
rugi daya
trafo I
Total biaya
rugi daya
trafo II
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tahun
Gambar 4. Grafik perbandingan biaya total trafo I
dan trafo II
Dari Tabel 5 dan Gambar 4 dapat dilihat
bahwa total biaya rugi daya pada trafo I lebih kecil
dari trafo II. Hal ini menunjukkan total rugi daya
pada trafo I lebih baik dibandingkan rugi daya pada
trafo II.
5. Kesimpulan
Setelah melakukan perhitungan data pada
jurnal ini dapat disimpulkan sebagai berikut.
1. Pada perhitungan biaya rugi daya tanpa beban,
pada trafo I sebesar Rp. 8.346.090,00 dan trafo
II sebesar Rp. 7.579.152,00. Dari perhitungan
tersebut dapat dilihat biaya rugi daya tanpa
beban pada trafo II lebih baik dibandingkan
dengan trafo I.
2. Pada perhitungan biaya rugi daya berbeban
untuk tahun pertama, pada trafo I sebesar Rp.
7.478.096,64 sedangkan pada trafo II sebesar
Rp. 8.488.650,24. Dari perhitungan tersebut
dapat dilihat biaya rugi daya berbeban pada
trafo I lebih baik dibandingkan dengan trafo II.
3. Pada perhitungan total biaya rugi daya total,
pada trafo I sebesar Rp. 15.824.186,64
sedangkan pada trafo II sebesar Rp.
16.067.802,24 dan berangsur-angsur naik pada
tahun berikutnya. Dari perhitungan tersebut
dapat dilihat rugi total biaya pada trafo I lebih
kecil dari trafo II.
Referensi
[1]
Pabla, AS. 1994. Sistem Distribusi Tenaga
Listrik. Jakarta. Erlangga.
[2]
[3]
IEEE Loss Evaluation Guide for Power
Transformers and Reactors, “IEEE C57.120
1991”, New York : IEEE, 1991.
Gonen, Turan. Electric Power Distribution
System Engineering. McGraw-Hill Book
Co-Singapore. Singapore.
[4]
RUS bulletin 1724E-301. 2004. Guide
for the Evaluation of Large Power
Transformer Losses.
[5]
REA bulletin. 1983. Guide for Economic
Evaluation of Distribution Transformer.
Hal
16-63.
Rural
Electrification
Admisnistration.