analisis ketidakseimbangan beban transformator distribusi untuk

ANALISIS KETIDAKSEIMBANGAN BEBAN
TRANSFORMATOR DISTRIBUSI UNTUK IDENTIFIKASI
BEBAN LEBIH DAN ESTIMASI RUGI-RUGI PADA JARINGAN
TEGANGAN RENDAH
Yoakim Simamora, Panusur S.M.L. Tobing
Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU)
Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155INDONESIA
e-mail: [email protected]
Abstrak
Pada dalam sistem 3 fasa, ketidakseimbangan beban transformator sangat sering terjadi. Hal ini merupakan
akibat beban listrik yang tidak sama maupun karena banyaknya penambahan beban-beban listrik yang tidak
memperhatikan ketidakseimbangan beban sistem. Pada saat perencanaan pembagian beban transformator pada
sisi R, S, T pada umumnya dirancang secara seimbang. Akan tetapi pada kenyataan yang terjadi, pembagian
bebannya tidak dapat seimbang. Apabila tidak diperhatikan dengan baik, beban listrik yang mengakibatkan
ketidakseimbangan beban pada transformator dapat juga menngakibatkan beban lebih pada sistem kelistrikan
serta rugi-rugi pada jaringan tegangan rendah. Bila hal ini terjadi kerja transformator menjadi tidak handal.
Perhitungan besarnya ketidakseimbangan beban transformator dibutuhkan untuk mengantisipasi terjadinya
beban lebih pada transformator akibat penambahanbebanlistrik yang tidak memperhatikan ketidakseimbangan.
Tulisan ini bertujuan untuk menganalisis ketidakseimbangan bebantransformator distribusi untuk identifikasi
beban lebihdan dapat juga mengetahui besarnya rugi-rugi pada jaringan tegangan rendah akibat arus netral,
setelah dilakukan perhitungan dan simulasi diperoleh persentase pembebanan tertinggi sebesar 127,02% pada
transformator ML 227, dan rugi-rugi jaringan tegangan rendah adalah sebesar 1,0 kW dan 13,0 kVAR pada
transformator ML059, serta ada 3 transformator yang di identifikasi berbeban lebih yaitu ML059, ML 354, dan
ML425.
Kata Kunci: Transformator Distribusi, Ketidakseimbangan Beban, Rugi-Rugi
1. Pendahuluan
Pada zaman sekarang ini salah satu sumber
tenaga yang paling diperlukan adalah tenaga
listrik. Tenaga listrik pada saat ini menjadi salah
satu dari kebutuhan pokok manusia. Dan juga
semakin berkembangnya teknologi yang
menggunakan tenaga listrik maka secara tidak
langsung manusia tergantung terhadap tenaga
listrik, baik untuk rumah tangga maupun untuk
industri. Jadi manusia memerlukan tenaga listrik
baik untuk kebutuhan sehari-hari maupun untuk
bekerja.
Di dalam suatu industri tentunya sangat
bergantung pada kehandalan dan efisiensi sistem
kelistrikan pada industri tersebut. Salah satu
persyaratan keandalan sistem penyaluran tenaga
listrik yang harus dipenuhi untuk pelayanan
kepada konsumen adalah kualitas tegangan yang
baik dan stabil, karena meskipun kelangsungan
catu daya dapat diandalkan, namun belum
mungkin untuk mempertahankan tegangan tetap
pada sistem distribusi karena tegangan jatuh
akan terjadi di semua bagian sistem dan akan
berubah dengan adanya perubahan beban.
Dalam menjaga stabilitas sistem tenaga listrik,
kualitas daya merupakan hal yang penting.
Untuk menjaga stabilitas tersebut perlu
diperhatikan pembebanan pada transformator
distribusi. Dimana dalam analisa pembebanan
tersebut bertujuan untuk mengidentifikasi beban
lebih akibat beban tidak seimbang.
Transformator
pada
umumnya
banyak
dipergunakan untuk sistem tenaga listrik
maupun rangkaian elektronik. Dalam sistem
tenaga listrik, trafo dipergunakan untuk
memindahkan energi dari satu rangkaian listrik
ke rangkaian listrik berikutnya tanpa merubah
frekuensi. Biasanya dapat menaikkan atau
menurunkan tegangan maupun arus, sehingga
memungkinkan
transmisi
ekstra
tinggi,
pemakaian pada sistem dapat dibagi menjadi 3
yaitu, Trafo penaik tegangan (step up) atau
disebut trafo daya, utuk menaikkan tegangan
pembangkit menjadi tegangan transmisi, trafo
penurun tegangan (step down), dapat disebut
trafo distribusi, untuk menurun tegangan
transmisi menjadi tegangan distribusi, trafo
instrument, untuk pengukuran yang terdiri dari
trafo tegangan dan trafo arus, dipakai
menurunkan tegangan dan arus agar dapat
masuk ke meter-meter pengukuran.
Trafo pada sistem tenaga untuk kapasitas yang
besar dapat dihubungkan 3 fasa dan untuk
kapasitas yang kecil dapat dihubungkan 1 fasa.
Dalam rangkaian elektronik trafo dipergunakan
sebagai gandengan impedansi antara sumber dan
beban, memisahkan satu rangkaian dari
rangkaian lain[1].
2. Prinsip Kerja Transformator
Transformator terdiri atas dua buah
kumparan (primer dan sekunder) yang bersifat
induktif. Kedua kumparan ini terpisah secara
elektris namun berhubungan secara magnetis
melalui jalur yang memiliki reluktansi rendah.
Apabila kumparan primer dihubungkan dengan
sumber tegangan bolak-balik maka fluks bolakbalik akan muncul di dalam inti yang dilaminasi,
karena kumparan tersebut membentuk rangkaian
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 yang
menyebabkan timbulnya fluks magnet di
kumparan sekunder, maka mengalirlah arus
sekunder jika rangkaian sekunder di bebani,
sehingga energi listrik dapat ditransfer
keseluruhan (secara magnetisasi)
𝑑∅
e = (-) N 𝑑𝑡 (Volt)
(1)
Dimana ;
e = gaya gerak listrik
N = Jumlah lilitan (turn)
𝑑∅
= perubahan fluks magnet
𝑑𝑡
(weber/sec)
Perlu diingat bahwa hanya tegangan listrik arus
bolak-balik yang dapat ditransformasikan oleh
transformator, sedangkan
dalam bidang
elektronika, transformator digunakan sebagai
gandengan impedansi antara sumber dan beban
untuk menghambat arus searah sambil tetap
melakukan arus bolak-balik rangkaian.
Tujuan utama menggunakan inti pada
transformator
adalah untuk mengurangi
reluktansi (tahanan magnetis) dari rangkaian
magnetis [2].
3. Transformator Distribusi
Transformator distribusi merupakan alat yang
memegang peran penting dalam sistem
distribusi. Transformator distribusi mengubah
tegangan
menengah
menjadi
tegangan
rendah.Transformator distribusi yang umum
digunakan adalah transformator step-down
20KV/400V. Tegangan fasa ke fasa sistem
jaringan tegangan rendah adalah 380V. Karena
terjadi drop tegangan, maka pada rak tegangan
rendah dibuat di atas 380V agar tegangan pada
ujung penerima tidak lebih kecil dari 380V.
Pada kumparan primer akan mengalir arus jika
kumparan primer dihubungkan ke sumber
tegangan bolak-balik, sehingga pada inti
tansformator yang terbuat dari bahan
ferromagnet akan terbentuk sejumlah garis-garis
gaya magnet (fluks = Ф). Karena arus yang
mengalir merupakan arus bolak-balik, maka
fluks yang terbentuk pada inti akan mempunyai
arah dan jumlah yang berubah-ubah. Jika arus
yang mengalir berbentuk sinusoidal, maka fluks
yang terjadi akan berbentuk sinusoidal pula.
Karena fluks tersebut mengalir melalui inti yang
mana pada inti tersebut terdapat belitan primer
dan sekunder, maka pada belitan primer dan
sekunder tersebut akan timbul ggl (gaya gerak
listrik) induksi, tetapi arah ggl induksi primer
berlawanan dengan arah ggl induksi sekunder.
Sedangkan frekuensi masing-masing tegangan
sama dengan frekuensi sumbernya[3].
4. Arus Netral Akibat Beban Tidak
Seimbang
Untuk arus tiga fasa dari suatu sistem yang
tidak seimbang dapat juga diselesaikan dengan
metode
komponen
simetris.
Dengan
menggunakan notasi-notasi yang sama seperti
pada tegangan akan didapatkan persamaan untuk
arus fasanya :
𝐼𝑎 = 𝐼1 + 𝐼2 + 𝐼0
(2)
𝐼𝑏 = 𝑎2 𝐼1 + a𝐼2 + 𝐼0
(3)
𝐼𝑐 = a𝐼1 + 𝑎2 𝐼2 + 𝐼0
(4)
Dengan tiga langkah yang dijabarkan dalam
menentukan tegangan urutan positif, urutan
negatif, dan urutan nol terlebih dahulu, maka
arus-arus urutan juga dapat ditentukan dengan
cara yang sama, sehingga didapatkan juga :
1
𝐼1 = 3( 𝐼𝑎 + a𝐼𝑏 + 𝑎2 𝐼𝑐 )
(5)
1
𝐼2 = 3 (𝐼𝑎 + 𝑎2 𝐼𝑏 + a𝐼𝑐 )
𝐼3 =
1
3
(6)
(𝐼𝑎 + 𝐼𝑏 + 𝐼𝑐 )
(7)
Disini terlihat bahwa arus urutan nol adalah
sepertiga dari arus netral atau arus baliknya akan
menjadi nol jika dalam sistem tiga fasa empat
kawat. Dalam sistem tiga fasa empat kawat ini
jumlah arus sama dengan arus netral yang
kembali lewat kawat netral, jadi :
𝐼𝑎 + 𝐼𝑏 + 𝐼𝑐 = 𝐼𝑁
(8)
Dengan mensubsitusikan persamaan (7) ke (8)
maka diperoleh [4].
𝐼𝑁 = 3 𝐼𝑎0
(9)
5. Ketidakseimbangan Beban
Pengertian Beban Tidak Seimbang, yang
dimaksud dengan keadaan seimbang adalah
suatu keadaan dimana :
1. Ketiga vektor arus/tegangan adalah
sama besar.
2. Ketiga vektor saling membentuk sudut
120° satu sama lain seperti pada Gambar
1.
Gambar 2. Vektor Diagram Arus Keadaan Tidak
Seimbang
Dari Gambar 2 menunjukkan vektor
diagram arus dalam keadaan tidak seimbang.
Disini terlihat bahwa penjumlahan ketiga vektor
arusnya (IR IS IT) adalah tidak sama dengan nol
sehingga muncul suatu besaran yaitu arus netral
(IT) yang besarnya bergantung pada seberapa
besar factor ketidakseimbangannya[5].
6. Penyaluran Daya Pada Keadaan Arus
Seimbang
Gambar 1. Vektor Diagram Arus Keadaan
Seimbang
Dari Gambar 1 menunjukkan vektor
diagram dalam keadaan seimbang. Disini terlihat
bahwa penjumlahan ketiga vektor arusnya
(𝐼𝑅 𝐼𝑠 𝐼𝑇 ) adalah sama dengan nol sehingga tidak
muncul arus netral.
Sedangkan yang dimaksud dengan keadaan
tidak seimbang adalah keadaan dimana salah
satu atau kedua syarat keadaan seimbang tidak
terpenuhi kemungkinan keadaan tidak seimbang
ada tiga yaitu :
1. Ketiga vektor sama besar tetapi tidak
membentuk sudut 120° satu sama lain.
2. Ketiga vektor tidak sama besar tetapi
membetuk sudut 120° satu sama lain.
3. Ketiga vektor tidak sama besar dan tidak
membentuk sudut 120° satu sama lain.
Seperti yang terlihat pada Gambar 2.
Misalkan daya sebesar P disalurkan melalui
suatu saluran dengan penghantar netral. Apabila
pada penyaluran dayaini arus-arus fasa dalam
keadaan seimbang, maka besarnya daya dapat
dinyatakan:
P=3.[V][I]Cos φ
(10)
Daya yang sampai pada ujung terima akan lebih
kecil dari P karena terjadi penyusutan dalam
saluran. Penyusutan dayaini dapat diterangkan
dengan menggunakan diagram fasor tegangan
saluran model fasa tunggal seperti terlihat pada
Gambar 3.
Gambar 3. Diagram Fasor Tegangan Saluran
Daya Model Fasa Tunggal
Model ini dibuat dengan asumsi arus
pemuatankapasitif pada saluran cukup kecil
sehingga dapat diabaikan .Dengan demikian
besarnya arus diujung kirim sama dengan arus
diujung terima. Apabila tegangan dan faktor
faktor daya pada ujung terima berturut-turut
adalah V’ dan φ’,maka besarnya daya pada
ujung terima adalah:
P’=3[V’][I]Cosφ’
(11)
Selisih antara P pada persamaan (10) dan P’
pada persamaan (11) memberikan susut daya
saluran,yaitu:
Pl= P – P’
(12)
= 3.[I]Cos φ - 3 [V’] [I] Cos 𝜑
(13)
=3 [I]{ [V]Cos φ- 3[V’][I]Cosφ’}
(14)
Sementara itu dari Gambar 3:
{[V]Cosφ - 3 [V’][I]Cosφ’} = [I] R
(15)
Dengan R adalah tahanan kawat penghantar
tiap fasa.Oleh karena itu persamaan (15)
berubah menjadi[4]:
Pl=3[I]2R
(16)
7. Penyaluran Daya Pada Keadaan Arus
Tidak Seimbang
Jika I adalah besaran arus fasa dalam
penyaluran daya sebesar P pada keadaan
seimbang, maka pada penyaluran daya yang
sama tetapi tidak seimbang besarnya arus-arus
fasa dapat dinyatakan dengan koefsien a, b dan c
adalah sebagai berikut:
[IR] = a [I]
(17)
[IS] = b [I]
(18)
[IT] = c [I]
(19)
Dengan IR, IS, dan IT berturut-turut adalah
arus fasa R, S dan T. telah disebutkan diatas
bahwa factor daya ketiga fasa dianggap sama
walaupun besarnya arus berbeda. Dengan
anggapan seperti ini, besarnya daya yang
disalurkan dapat dinyatakan sebagai [4]:
P = 3 (a + b + c) [I] cos𝜑(20)
Apabila persamaan (14) dan persamaan IN =
3Iao menyatakan daya yang besarnya sama, maka
dari kedua persamaan tersebut dapat diperoleh
persyratan koefisien a,b, dan c adalah
a+b+c=3
(21)
8. Rugi-Rugi Pada Sistem Distribusi
Rugi-rugi daya listrik pada sistem distribusi
dipengaruhi beberapa faktor yang antara lain
faktor konfigurasi dari sistem jaringan distribusi,
transformator, kapasitor, isolasi dan rugi – rugi
daya listrik dikategorikan dua bagian yaitu rugirugi daya aktif dan daya reaktif seperti
Persamaan (22) .
S = P ± jQ (VA)
(22)
Dimana :
P = Rugi-rugi daya aktif (watt)
Q = Rugi-rugi daya reaktif (VAR)
S = Daya semu (VA)
Rugi-rugi daya listrik tersebut di atas (VA) akan
mempengaruhi tegangan kerja sistem dan
besarnya rugi-rugi daya
dinyatakankan
dengan:[4]
nbr
Ploss =
I
i 1
2
.ri
2
. xi
i
(23)
nbr
Qkoss =
I
i 1
i
(24)
9. Analisis Ketidakseimbangan Beban
Transformator
Distribusi
untuk
Identifikasi Beban Lebih
Data arus yang telah didapat baik dari hasil
pengamatan maupun pengukuran kemudian
dikumpulkan lalu direkap pada Tabel 1 untuk
mempermudah perhitungan dan analisa.
Tabel 1. Data Pembebanan Transformator
Distribusi 200 kVA (ML059) Pada Siang Hari
LWBP
JURUSAN
(Siang
TIMUR 1 BARAT TIMUR 2
Hari)
R (Amp)
25
109
106
S (Amp)
28
66
151
T (Amp)
25
68
168
Data arus yang telah didapat baik dari hasil
pengamatan maupun pengukuran kemudian
dikumpulkan lalu direkap pada Tabel 2 untuk
mempermudah perhitungan dan analisa.
Tabel 2. Data Pembebanan Transformator
Distribusi 200 kVA (ML059) Pada Malam Hari
WBP
JURUSAN
(Malam TIMUR 1 BARAT TIMUR 2
Hari)
R (Amp)
25
165
84
S (Amp)
32
83
191
T (Amp)
49
119
167
9.1 Menentukan Persentase Pembebanan
Trafo Distribusi
Sebelum dilakukan perhitungan persentase
pembebanan terlebih dahulu dihitung besar arus
beban penuh sesuai kapasitas transformator
distribusi,
1. Pengukuran Siang Hari
IR = 240 A
IS = 245 A
IT = 261 A
Dari data pengukuran dapat dicari arus rata-rata
yaitu :
I +I +I
Irata-rata = R 3S T
Diketahui : S (Daya Semu) = 200 kVA
𝑉𝑝ℎ𝑎𝑠𝑎−𝑝ℎ𝑎𝑠𝑎 = 400 V
𝐼𝐹𝑢𝑙𝑙 𝐿𝑜𝑎𝑑 (𝐼𝐹𝐿 )=
=
dihitung arus rata-ratab trafo distribusi sesuai
dengan waktu pengamatan masing-masing.
Trafo Distribusi 200 kVA (ML059)
𝑆
√3𝑉
160000
√3400
240+245+261
Irata-rata =
= 248,66
3
Dengan demikian koefsien a, b dan c diperoleh
sebagai berikut:
I
240
a = IR = 248,66 = 0,96
= 243,09 A
Trafo Distribusi 200 kVA (ML059)
Pengukuran Siang Hari :
∑ IR = 240 A
∑ IS = 245 A
∑ IT = 261 A
Persentase pembebanannya adalah I% =
b=
c=
𝐼𝐹𝐴𝑆𝐴
𝐼𝐹𝐿
x
100%
a.
b.
c.
240
303,86
245
303,86
261
303,86
=
x 100% = 80,62%
Jadi rata-rata pembebanannya adalah
78,98%+80,62%+ 85,89%
3
=
= 81,83%
b.
c.
274
303,86
306
303,86
335
303,86
{ |a – 1| + |b – 1| + |c – 1| }
x 100%
3
{ |0,96 – 1| + |0,98 – 1| + |1,04 – 1| }
x
3
100% = 3,3%
274+306+335
𝐼𝐹𝐴𝑆𝐴
𝐼𝐹𝐿
x
100%
a.
261
= 248,66 = 1,04
2. Pengukuran Malam Hari
IR = 274 A
IS = 306 A
IT = 335 A
Dari data pengukuran dapat dicari arus rata-rata
yaitu :
I +I +I
Irata-rata = R 3S T
x 100% = 85,89%
Pengukuran Malam Hari :
∑ IR = 274 A
∑ IS = 306 A
∑ IT = 335 A
Persentase pembebanannya adalah I% =
245
= 248,66 = 0,98
Pada keadaan seimbang, besarnya koefsien a, b
dan c adalah 1, dengan demikian rata-rata
ketidakseimbangan beban (%) adalah
=
x 100% = 78,98%
IS
I
IT
I
x 100% = 90,17%
x 100% = 100,7%
x 100% = 110,24%
Jadi rata-rata pembebanannya adalah
90,17%+100,7%+ 110,24%
=
3
= 100,37%
9.2 Analisa Ketidakseimbangan Beban
Pada Trafo Distribusi
Sebelum
dilakukan
perhitungan
ketidakseimbangan beban terlebih dahulu
Irata-rata =
= 305
3
Dengan demikian koefsien a, b dan c diperoleh
sebagai berikut:
I
274
a= R=
= 0,89
b=
I
IS
I
IT
I
305
306
= 305 = 1,00
335
c = = 395 = 1,10
Pada keadaan seimbang, besarnya koefsien a, b
dan c adalah 1, dengan demikian rata-rata
ketidakseimbangan beban (%) adalah
=
=
{ |a – 1| + |b – 1| + |c – 1| }
x 100%
3
{ |0,89 – 1| + |1,00 – 1| + |1,10 – 1| }
x
3
100% = 7%
9.3 Identifikasi Adanya Beban Lebih
Untuk mengidentifikasi adanya beban lebih
pada tiap-tiap phasa trafo distribusi maka harus
dibandingkan dengan arus nominal dari trafo
dengan arus perphasanya. Untuk menghitung
arus nominal.
Trafo dengan daya 200 kVA, arus nominalnya
S = √3.V.In
S = Daya Semu
V = Tegangan phasa-phasa
Maka ;
200.000 = √3.380.In
200000
In = 658,18
= 303,86 Amp
Setelah diperoleh nilai arus nominal maka
penulis membandingkannya dengan arus tiaptiap phasa pada trafo distribusi. Apabila arus
perphasa lebih besar daripada 80% dari nilai
arus nominal, maka telah terjadi beban lebih
pada phasa tersebut.
Tabel 3 Tabel Identifikasi Beban Lebih Trafo
Distribusi
Arus
Arus
No Trafo
R
S
T Nominal Ket
80%
IR>In
1 ML059 274 306 335 243,09 IS>In
IT>In
IR>In
1 ML354 196 198 240 194,47 IS>In
IT>In
IR>In
2 ML425 139 145 171 121,54 IS>In
IT>In
Dari Tabel 3 dapat dilihat besar masingmasing arus fasa lebih besar dari arus nominal
sehingga terjadi beban lebih pada transformator
distribusi ML059, ML354, ML 425.
9.4 Analisa Rugi-Rugi Pada Jaringan
Tegangan Rendah
Setelah menganalisa adanya beban lebih
pada trafo, maka penulis menganalisa besarnya
rugi-rugi pada jaringan tegangan rendah dengan
menggunakan. Untuk menganalisa besarnya
rugi-rugi pada jaringan tegangan rendah penulis
menggunakan program ETAP 4.0.
Setelah mengetahui adanya beban lebih
pada trafo ML059, maka dilakukan simulasi
menggunakan program ETAP 4.0. Tabel 4
menunjukan rugi-rugi pada trafo ML059.
Tabel 4 Hasil Simulasi Pada Trafo ML059
TRAFO
DAYA
(KVA)
ML059
200
LOSSES
LWBP
WBP
kW
kVAR
kW
kVAR
1,0
9,0
1,0
13,0
Dari hasil simulasi dapat dilihat pada Tabel 4,
diperoleh rugi-rugi jaringan tegangan rendah
transformator ML059 luar waktu beban puncak
sebesar 1,0 kW dan9,0 kVAR serta waktu beban
puncak 1,0 kW dan 13 kVAR
Kesimpulan
Dari hasil perhitungan dan simulasi maka
kesimpulannya adalah sebagai berikut:
1. Persentase pembebanan tertinggi adalah
transformator 100 kVA (ML227) pada malam
hari yaitu sebesar 127,02%
2. Dari Hasil Identifikasi Beban Lebih, ada 3
transformator
distribusi
berbeban
lebih
sepanjang penyulang atau feder KI 02 yaitu
transformator ML 059, ML354, dan ML425.
3. Semakin besar ketidakseimbangan beban
suatu trafo, maka trafo tersebut akan mengalami
beban lebih (over load) satu phasa, Hal ini di
karenakan semakin besarnya arus yang mengalir
pada salah satu phasa pada trafo tersebut.
4. Berdasarkam hasil simulasi ETAP 4.0 rugirigi jaringan tegangan rendah pada penyulang
yang paling besar adalah pada trafo ML059
yaitu sebesar 1,0 kW dan 13,0 kVAR.
Referensi
[1]. Berahim, Hamzah.,“Pengantar Teknik
Tenaga Listrik”, Yogyakarta : Andi, 1991.
[2]. Zuhal, “Dasar Tenaga Listrik”, Bandung :
ITB Bandung, 1991.
[3]. Rijono, Yon.,“Dasar Teknik Tenaga
Listrik”, Yogyakarta : Andi, 2004.
[4]. Gonen, Turan, “Modern Power Sistem”,
JohnWiley and Sons, Inc., Canada.1988.