BAB II TRANSFORMATOR DISTRIBUSI DAN SISTEM

BAB II
TRANSFORMATOR DISTRIBUSI DAN SISTEM PENGAMANNYA
2.1 Umum
Transformator merupakan suatu perangkat listrik yang berfungsi untuk
mentransformasikan tegangan dan arus dari sisi primer ke sisi sekunder dengan
daya yang sama. Dengan pengaturan tegangan dan arus pada transformator, akan
diperoleh suatu tegangan dan arus sistem sesuai yang direncanakan.
Pada umumnya transformator dapat dibedakan menjadi dua, yaitu
transformator distribusi dan transformator daya. Transformator distribusi
digunakan untuk penurun tegangan (step down) dan merupakan jenis pasangan
tiang dengan umur harap normal dari transformator yaitu 20 tahun (berdasarkan
standard IEC, dengan beban kontinyu). Sedangkan transformator daya merupakan
transformator dengan kapasitas pemindahan daya yang besar, misal transformator
daya pada saluran distribusi dengan rating 20 kV-380 V/ 220 V, ≤ 630 kVA. Pada
sistem tenaga listrik, transformator daya bisa diklasifikasikan menjadi dua, yaitu
transformator daya untuk sistem transmisi dan transformator daya untuk saluran
distribusi. Pembahasan sistem tenaga listrik pada skripsi ini diutamakan pada
transformator daya untuk distribusi primer.
2.2 Jenis Gangguan Pada Transformator
Menurut tempatnya, jenis gangguan pada trafo distribusi dibedakan
menjadi dua golongan, yaitu gangguan luar (external faults) dan gangguan dalam
(internal faults).
2.2.1 Gangguan Luar (External Faults)
Gangguan luar dibedakan menjadi dua macam, yaitu keadaan beban lebih
(overload condition) dan hubung singkat luar (external short circuit). Hubung
singkat luar diatasi dengan memasang sekring yang harus dikoordinasikan secara
baik dengan pengaman arus yang lain agar pengaman yang lain tersebut tidak ikut
bekerja.
2.2.2 Gangguan Dalam (Internal Faults)
Gangguan dalam adalah gangguan yang terjadi pada trafo itu atau pada
perlengkapannya. Proteksi yang ditugaskan untuk mengamankan trafo terhadap
gangguan dalam, bersifat sebagai pengaman primer (primery protection).
Gangguan dalam dibedakan menjadi dua macam, yaitu gangguan permulaan
(incipient fault) dan gangguan elektris (electrical fault). Gangguan permulaan dan
gangguan elektris mempunyai sifat yang berbeda-beda dan cara mendeteksinya
juga berbeda.
2.2.2.1 Gangguan Permulaan (Incipient Fault)
Gangguan permulaan pada awalnya berupa gangguan kecil (minor fault),
yang menimbulkan kerusakan secara perlahan, jika dibiarkan gangguan tersebut
akan menjadi besar.
Macam-macam gangguan permulaan :
a.
Hubung elektris yang buruk pada hantaran atau gangguan pada inti
(karena pecahnya isolasi di antara lapisan-lapisan inti, pada baut atau
ring baut) yang menimbulkan busur terbatas di dalam minyak.
b.
Kegagalan pendingin, yang menyebabkan kenaikan suhu walaupun
trafo beroperasi dibawah beban penuhnya.
c.
Isi minyak yang terlalu rendah atau aliran (edaran) minyak yang
tersumbat juga merupakan kegagalan pendingin, yang menyebabkan
pemanasan lokal pada bagian kumparan atau inti trafo.
d.
Kegagalan pada regulator atau pembagian beban yang tidak seimbang
pada trafo tiga phasa dan trafo yang bekerja paralel, dapat
menimbulkan panas berlebihan karena arus sirkulasi.
2.2.2.2 Gangguan Elektris (Electrical Fault)
Gangguan elektris dapat menimbulkan kerusakan serius dalam waktu
singkat, yaitu berupa hubung singkat. Gangguan elektris harus diatasi dengan
melepaskan secepat mungkin trafo itu dari jaringan, agar kerusakan yang lebih
parah dapat dihindari dan tegangan sistem cepat dapat dipulihkan.
Macam-macam gangguan elektris :
a.
Hubung singkat phasa ke tanah atau phasa ke phasa pada terminal luar
primer dan sekunder trafo.
b.
Hubung singkat phasa ke tanah pada kumparan primer atau sekunder
trafo.
c.
Hubung singkat antar lilitan-lilitan pada kumparan primer dan
sekunder trafo.
d.
Hubung singkat pada kumparan tersier.
Harus diperhatikan bahwa pengaman yang digunakan untuk mengatasi
gangguan elektris, tidak dapat mendeteksi gangguan permulaan. Begitu pula
pengaman yang digunakan untuk mengatasi ganggua permulaan tidak dapat
mendeteksi seluruh ganggua elektris, dan bekerjanya juga tidak cukup cepat. Jadi,
kedua kelompok pengaman tersebut tidak dapat saling menggantikan tetapi saling
melengkapi, oleh karena itu perlu dipergunakan bersama-sama.
2.3 Konstruksi Bagian-bagian Transformator Distribusi
2.3.1 Komponen dan Bahan Baku
Transformator dirancang dan dibuat dari komponen dan bahan baku yang
sama sekali baru dan sesuai dengan persyaratan dan/ atau standard desain.
Transformator dilengkapi pula dengan alat-alat pelengkap yang baru pula dan
sesuai dengan spesifikasi yang ditetapkan oleh fabrikan. Bagi transformator
produksi dalam negeri, yang dimaksudkan dengan fabrikan ialah pemberi lisensi.
Komponen, bahan baku dan alat-alat pelengkap tersebut serta penyelesaiannya
haruslah disesuaikan pula dengan geogragis dan iklim Indonesia, khususnya
mempunyai sifat tahan karat (korosi).
2.3.2 Bagian Utama
Bagian-bagian utama pada transformator bisa dilihat pada gambar 2.1
dibawah ini.
Arrester
Bushing
Tangki
Kumparan/ belitan
Gambar 2.1 Bagian-bagian transformator
2.3.2.1 Inti Besi
Inti besi berfungsi untuk mempermudah jalannya fluks yang ditimbulkan
oleh arus listrik yang melalui kumparan. Rangkaian magnetik dibuat dari inti besi
silikon (grain oriented silicon steel) dan membentuk rangkaian magnetik tertutup.
Dibuat dari lempengan-lempengan besi tipis yang berisolasi, untuk mengurangi
panas (sebagai rugi-rugi besi) yang ditimbulkan oleh ” Eddy Current ”. Rangka
inti besi harus di baut dengan tangki trafo sehingga kokoh dan mudah dalam
pemasangan maupun dalam melepaskan/ atau membongkarnya.
2.3.2.2 Kumparan Transformator
Belitan dibuat dari tembaga atau aluminium berisolasi berkonduktivitas
tinggi dan terendam minyak. Antara belitan dengan tangki bagian bawah diberi
sekat sebagai tumpuan belitan sekaligus sebagai isolator. Bentuk belitan adalah
konsentris. Contoh kumparan transformator dapat digambar 2.2.
Gambar 2.2 Contoh rakitan inti dan kumparan trafo tiga phasa
2.3.2.3 Minyak Transformator
Sebagian besar kumparan-kumparan dan inti trafo tenaga direndam dalam
minyak trafo, terutama trafo-trafo tenaga yang berkapasitas besar, karena minyak
trafo mempunyai sifat sebagai isolasi dan media pemindah, sehingga minyak trafo
tersebut berfungsi sebagai media pendingin dan isolasi.
2.3.2.4 Busing
Hubungan antara kumparan trafo ke jaringan luar melalui sebuah busing
yaitu sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator, yang sekaligus berfungsi
sebagai penyekat antara konduktor tersebut denga tangki trafo. Contoh kontruksi
busing trafo dapat dilihat di gambar 2.3. Busing dibagi menjadi dua, yaitu:
1.
Busing Tegangan Primer
Busing tegangan primer dibuat dari porselen dengan jarak rambat
minimum 430 mm, dan dilengkapi dengan terminal untuk keperluan
penghubung dengan penampang minimal 70 mm 2 pada bagian atas busing.
Busing tegangan primer harus ditempatkan pada permukaan tutup
transformator secara kedap (memakai perapat).
2.
Busing Tegangan Sekunder
Busing tegangan sekunder dibuat dari porselen dan dilengkapi dengan
terminal untuk keperluan penghubung sekunder dengan penampang:
- Transformator 5 - 25 kVA : minimal 50 mm2
- Transformator 50 kVA : minimal 70 mm2
Busing
tegangan
sekunder
harus
ditempatkan
pada
dinding
transformator secara kedap (diberi perapat). Terminal bagian dalam
dihubungkan dengan ujung kumparan sekunder dengan baut (di jepit oleh 2
mur) pada batang terminal. Jumlah busing sekunder ada 4 buah pada bagian
bawah diberi tanda terminal dari kiri ke kanan xl, x2 dan x3, x4.
Gambar 2.3 Contoh konstruksi bushing trafo
2.3.2.5 Tangki
Tangki transformator dibuat dengan bentuk silinder atau
persegi
empat
dari pelat baja dan dirancang kedap air dan udara. Bagian dalam dan luar tangki
dibersihkan secara kimiawi dan dicat untuk mencegah korosi. Dinding tangki
tidak boleh diberi radiator atau berlekuk (corrugated). Tutup atas (cover) tangki
bisa dilepas dan dibaut pada tangki dengan dilengkapi karet (gasket), bagian
bawah dilas secara permanen. Dilengkapi dua pentanahan dengan baut pentanahan
dari kuningan dengan ukuran M12. Pentanahan satu dipasang pada bagian bawah
tangki dekat dengan dasar dan yang lain pada bagian tengah tangki di bawah
busing tegangan sekunder dengan dilengkapi sambungan tembaga yang berfungsi
untuk pentanahan sisi tegangan sekunder.
Setiap peralatan yang dipasang pada sekeliling atau permukaan tangki
trafo dan berhubungan dengan bagian dalam harus dilengkapi dengan perapat
(karet/gasket). Tangki ini harus dilengkapi tempat arester, kupingan dan cantelan
untuk persiapan pemasangan pada tiang.
2.3.3 Peralatan Bantu
2.3.3.1 Pendingin
1.
Minyak transformator yang digunakan harus minyak-alami yang memenuhi
standard minyak isolasi.
Semua peralatan yang berhubungan dengan ujung-ujung belitan trafo
(terminal busing sekunder) yang berada dalam tangki harus terendam minyak.
2.
Transformator harus dibuat kedap udara.
Konstruksi perapat harus sedemikian sehingga merupakan perapat antara
bagian dalam tangki dengan atmosfir dan kandungan gas dan minyak tidak
berubah. Transformator harus tetap tahan terhadap suhu minyak bagian atas
dalam judul - 5 oC sampai dengan 120 oC pada kondisi kontinyu.
2.3.3.2 Peubah Tap (Tap changer)
Tap changer adalah alat perubah perbandingan transformasi untuk
mendapatkan tegangan operasi sekunder yang lebih baik (diinginkan) dari
tegangan jaringan / primer yang berubah-ubah. Tap changer yang hanya bisa
beroperasi untuk memindahkan tap transformator dalam keadaan transformator
tidak berbeban disebut “Off Load Tap changer” dan hanya dapat dioperasikan
manual. Tap changer yang dapat beroperasi untuk memindahkan tap
transformator, dalam keadaan transformator berbeban disebut “On Load Tap
changer” dan dapat dioperasikan secara manual atau otomatis
2.3.3.3 Alat Pernapasan (Dehydrating Breather)
Karena pengaruh naik turunnya beban transformator maupun suhu udara
luar, maka suhu minyak pun akan berubah-ubah mengikuti keadaan tersebut.
Bila suhu minyak tinggi, minyak akan memuai dan mendesak udara di atas
permukaan minyak keluar dari tangki, sebaliknya apabila suhu minyak turun,
minyak menyusut maka udara luar akan masuk ke dalam tangki.
Kedua proses di atas disebut pernapasan transformator.
Akibat pernapasan transformator tersebut maka permukaan minyak akan
selalu bersinggungan dengan udara luar. Udara luar yang lembab akan
menurunkan nilai tegangan tembus minyak transformator, maka untuk mencegah
hal tersebut, pada ujung pipa penghubung udara luar dilengkapi dengan alat
pernapasan, berupa tabung berisi kristal zat hygroskopis. Tabung pernapasan yang
dimaksud diatas dapat dilihat pada gambar 2.4.
(a)
(b)
Gambar 2.4 Contoh tabung pernapasan, baru masih berwarna
biru(a),lama sudah terpakai berwarna kecoklatan (b)
2.3.3.4 Indikator-indikator
Macam-macam indikator pada trafo antara lain :
1.
Indikator suhu (Thermometer) minyak
2.
Indikator permukaan minyak
3.
Lampu indikator (Indicator lamp)
4.
Indikator kedudukan tap
Contoh indikator dapat dilihat pada gambar 2.5 dibawah ini.
2
4
1
3
Gambar 2.5 Macam-macam indikator, indikator suhu minyak (1),
indikatorpermukaan minyak (2), lampu indikator (3), indikator tap (4)
2.3.4 Peralatan Pengaman
2.3.4.1 Pemutus tenaga
Pemutus tenaga dipasang pada sisi sekunder dan di dalam tangki terendam
minyak. Karakteristik pemutus tenaga harus disesuaikan dengan transformator
yang mempunyai karakteristik bebansebagai berikut:
a.
Beban rata-rata sebesar 50 % kapasitas pengenal
b.
Beban lebih sebesar 150 % kapasitas pengenal selama 2 jam (suhu
sekitar 30 oC).
2.3.4.2 Pegaman lebur (Fuse Link)
Pengaman lebur dipasang pada sisi primer, di dalam busing atau terendam
minyak, berfungsi untuk mengamankan jaringan tegangan tinggi (TM) terhadap
gangguan internal trafo. Jika terjadi gangguan di dalam transformator maka arus
menjadi besar sehingga memutuskan fuse link dan melepas transformator dari
sistem tegangan tinggi.
2.3.4.3 Arester
Arester dipasang di luar tangki dan terhubung paralel pada terminal busing
sisi primer, berfungsi untuk mengamankan transformator terhadap gangguan petir.
Arester mengalirkan arus surja ke tanah dengan merubah karakteristik impedansi
arester dari tahanan tinggi ke tahanan rendah dan kembali lagi ke tahanan tinggi
jika surja telah dialirkan. Pada kondisi tegangan kerja arrester terbuka dan
terhubung singkat saat terjadi arus surja.
2.4 Sistem Pengamanan Transformator Distribusi
2.4.1 Tujuan Pengamanan
Sistem tenaga listrik yang andal adalah sistem tersebut bisa mencatu
tenaga listrik dengan stabil dan berkesinambungan. Pengamanan transformator
dimaksudkan untuk mencegah transformator mengalami kerusakan akibat
gangguan-gangguan yang terjadi pada transformator tersebutdan membatasi
daerah (zone) pemadaman sekecil mungkin. Oleh karena pada sistem pengaman
tenaga listrik dikenal dengan daerah-daerah pengamanan, maka pengaman
transformator juga berfungsi sebagai pengaman cadangan bagi sistem-sistem yang
terkait. Dengan demikian pengaman transformator diharapkan dapat memberikan
kontribusi keandalan sistem, khususnya dalam kesinambungan penyaluran pada
konsumen.
2.4.2 Pertimbangan Pemilihan
Perencanaan sistem pengaman transformator harus mempertimbangkan
hal-hal sebagai berikut:
2.4.2.1 Jenis Transformator yang Diamankan
Jenis transformator sangat menentukan sistem pengaman yang harus
diterapkan. Jenis yang dimaksud di sini adalah transformator daya untuk saluran
distribusi.
2.4.2.2 Ukuran Transformator
Rating atau kumparan transformator merupakan dasar pertimbangan yang
penting dalam perencanaan sistem pengaman. Ukuran transformator biasanya
diberikan dalam besaran rating tegangan dan daya, misalnya: 15 kV/ 150 kV
dengan daya 100 MVA. Pertimbangan dari segi teknis, misalnya panas dan arus
gangguan hubung singkat yang timbul pada transformator. Gangguan itu bisa
merupakan hubung singkat antara kumparan maupun kumparan dengan tangki
atau penghantar dengan bodi. Hubung singkat tersebut tergantung juga pada
rating transformator, baik tegangan, daya maupun reaktansi-reaktansinya.
Dilihatdari segi ekonomis, biaya pengamanan tidaklah murah. Oleh karena itu,
biaya pengamanan harus sebanding dengan kapasitas transformator yang
diamankan.
2.4.2.3 Jenis Pendinginan
Ada beberapa jenis pendinginan yang digunakan pada transformator
tenaga, antara lain pendingin dengan kipas untuk minyak bersirkulasi secara
alamiah atau secara paksa, pendingin dengan air dan sebagainya. Sistem
pendingin berfungsi untuk menjaga agar suhu transformator, baik minyak
transformator maupun kumparan dapat dikendalikan pada suatu nilai tertentu.
Panas yang berlebihan pada transformator akan merusak isolasi kumparan dan
bisa mengakibatkan terjadinya hubung singkat. Sistem pendingin yang digunakan
pada transformator erat kaitannya dengan pemakaian relai-relai suhu.
2.4.2.4 Lokasi Pemakaian
Sistem jaringan tenaga listrik di mana transformator dipasang merupakan
faktor yang juga perlu dipertimbangkan. Hal ini terutama berkaitan dengan
kemungkinan gangguan yang terjadi pada transformator. Pada daerah-daerah
tertentu di mana sering turun hujan yang disertai dengan sambaran petir perlu
dilengkapi dengan piranti pengaman lain, seperti pengalih surja/ penangkal petir
(arrester). Disamping itu pemakaian pengaman transformator di daerah pedesaan
tidak selengkap pemakaian pengaman transformator di perkotaan, karena di
perkotaan jaringan listriknya sudah demikian luas dan kompleks sehingga
memerlukan selektivitas yang lebih tinggi.
2.4.2.5 Prioritas Pelayanan
Untuk transformator yang melayani lokasi-lokasi strategis dan vital, misal
rumah sakit, gedung-gedung negara dan sebagainya, diperlukan sistem pengaman
yang sangat andal sehingga kemungkinan pemadamannya sangat kecil.
2.4.3 Pengaman Trafo
Pengaman pada trafo distribusi, menurut letaknya di bagi menjadi dua
yaitu pengaman sisi primer (sekring) dan pengaman sisi sekunder (circuit
breaker).
2.4.3.1 Pengaman sisi primer
Transformator distribusi dan transformator daya dengan kapasitas kecil,
seringkali diberi pengaman arus-lebih dengan memasang sekring pada sisi
primernya. Pengaman pada sisi primer (sekring/ fuse) berfungsi untuk:
a.
Melindungi sistem, dengan memisahkan trafo yang mengalami
gangguan sehingga pelanggan listrik yang mendapat pemadaman sangat terbatas.
b.
Melindungi transformator itu terhadap gangguan internal , hubung
singkat dan beban lebih pada sekunder.
c.
Mengamankan jaringan dan peralatan yang berada di sebelah hilir
terhadap gangguan permanen antar phasa dan sebagai back-up pengaman sisi
sekunder (circuit breaker).
Fuse adalah sebuah alat untuk melindungi sebuah rangkaian listrik
terhadap kerusakan yang mungkin timbul karena arus yang mengalirinya terlalu
besar, dengan cara membuka rangkaian tersebut melalui meleburnya elemen lebur
(fuse element) pada fuse tersebut. Pengaman sisi primer pada trafo satu phasa
sering disebut sekring sedang untuk trafo tiga phasa adalah FCO (Fuse Cut Out).
FCO sebagai pengaman sisi primer pada trafo 3 phasa dapat dilihat pada gambar
2.6.
(a)
(b)
Gambar 2.6 Trafo 3 phasa (b) dengan FCO (a) sebagai pengaman di sisi primer
2.4.3.2 Pengaman sisi sekunder
Pengaman sisi sekunder pada transformator satu phasa diamankan dengan
circuit breaker, untuk transformator tiga phasa diamankan dengan LVCB.
a.
CB (Circuit breaker)
Circuit breaker adalah sebuah saklar yang dapat memutuskan rangkaian
listrik dalam keadaan tidak normal/ mengamankan rangkaian listrik terhadap arus
lebih, baik akibat pembebanan yang berlebih maupun akibat hubung singkat.
Circuit breaker mempunyai dua buah pole bimetal (x1, terminal input dan x2,
terminal output) yang akan mensensor perubahan panas dan arus. Pada trafo
distribusi satu phasa transformator dilengkapi dengan lampu indikator dan
emergency switch (saklar darurat), lihat gambar 2.7. Lampu indikator akan
menyala jika terjadi beban lebih pada salah satu kumparan sekunder trafo
(walaupun
total
kapasitas
pemakaian
daya
belum
mencapai
kapasitas
nominalnya), lampu akan tetap menyala saat beban kembali turun dibawah 100,
jika beban terus bertambah akan menggerakkan breaker untuk trip. Emergency
switch dapat menaikkan daya trafo 10 hingga 15% dari kapasitas trafo.
Lampu
indikator
Circuit
breaker
Gambar 2.7 Circuit breaker trafo
b.
LVCB (Low Voltage Circuit Breaker)
LVCB terdiri dari dua komponen, yaitu MCCB (Molded Case Circuit
Breaker) dan NT Fuse, yang dipasang secara seri. Yang mana MCCB
dihubungkan pada sisi sekunder trafo sebagai pengaman trafo terhadap beban
lebih dan arus hubung singkat dan NT Fuse dihubungkan pada sisi beban sebagai
pembatas arus. Contoh MCCB dapat dilihat di gambar 2.8 dan contoh NT Fuse
pada gambar 2.9.
Gambar 2.8 Macam-macam MCCB
(a)
(b)
Gambar 2.9 Dudukan NT Fuse (a), NT Fuse (b)
2.4.4 Perhitungan Arus Beban Lebih dan Arus Hubung Singkat
Untuk trafo satu phasa :
1.
Perhitungan arus beban lebih pada trafo, yaitu:
IFL =
2.
Perhitungan arus hubung singkat pada trafo, yaitu:
Ihs max
3.
=
.....................................................................(2.2)
Perhitungan Arus ANSI pada trafo
IANSI
4.
............................................. (2.1)
= 16,6 x IFL .............................................................(2.3)
Perhitungan Arus Inrush pada trafo
IInrush
= 8 x IFL primer untuk 0,1 detik ................................(2.4)
Untuk trafo tiga phasa:
1.
Perhitungan arus beban lebih pada trafo, yaitu:
IFL
2.
=
..................................................................(2.6)
Perhitungan Arus ANSI pada trafo
IANSI
4.
................................. (2.5)
Perhitungan arus hubung singkat pada trafo, yaitu:
Ihs max
3.
=
= 16,6 x IFL .........................................................(2.7)
Perhitungan Arus Inrush pada trafo
IInrush
= 8 x IFL primer untuk 0,1 detik ...........................(2.8)