BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pendahuluan Transformator adalah suatu alat listrik statis yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik arus bolak-balik (AC) dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektro-magnetik. Transformator digunakan secara luas, baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Penggunaannya dalam sistem tenaga listrik memungkinkan dipilihnya tegangan yang sesuai dan ekonomis untuk tiap-tiap keperluan misalnya, kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya listrik jarak jauh. Dalam bidang tenaga listrik pemakaian transformator dikelompokkan menjadi : 1. Transformator daya. 2. Transformator distribusi. 3. Transformator pengukuran; yang terdiri dari transformator arus dan transformator tegangan. 2.2 Transformator Daya. 2.2.1. Prinsip Induksi. Hukum utama dalam transformator adalah hukum induksi faraday. Menurut hukum ini suatu gaya listrik melalui garis lengkung yang tertutup, adalah 5 berbanding lurus dengan perubahan persatuan waktu dari pada arus induksi atau fluks yang dilingkari oleh garis lengkung itu (Lihat gambar 2.1. dan 2.2). Gambar 2.1. Arus magnitisasi secara grafis tanpa memperhitungkan rugi-rugi besi. Gambar 2.2 Arus magnitasi secara grafis dengan memperhitungkan rugi – rugi besi. Selain hukum Faraday, transformator menggunakan hukum Lorenz seperti terlihat pada gambar 2.3. berikut ini : Gambar 2.3. Hukum Lorenz Dasar dari teori transformator adalah sebagai berikut : Arus listrik bolak-balik yang mengalir mengelilingi suatu inti besi maka inti besi itu akan berubah menjadi magnit (seperti gambar 2.4.) dan apabila magnit tersebut dikelilingi oleh suatu belitan maka pada kedua ujung belitan tersebut akan terjadi beda tegangan. 6 Gambar 2.4. Suatu arus listrik mengelilingi Gambar 2.5. Suatu lilitan mengelilingi inti besi maka besi itu menjadi magnit. magnit maka akan timbul gaya gerak listrik (GGL) Dari prinsip tersebut di atas dibuat suatu transformator seperti gambar 2.6. di bawah ini. Gambar 2.6. Prinsip Dasar dari Transformator. Rumus tegangan adalah: E = 4,44 φ N f x 10 - 8 Maka untuk transformator rumus tersebut sebagai berikut: E1 : E2 = 4,44 φ N1 f 1x 10 – 8 : 4,44 φ N2 f2 x 10 – 8 karena f 1 = f2 maka 7 E1 : E2 = 4,44 φ N1 f 1 x 10-8 : 4,44 φ N2 f2 x 10-8 E1 : E2 = N1: N2 E1 N2 = E2 N1 E2 = (N2 / N1) x E1 dengan : E1 = tegangan primer E2 = tegangan sekunder N1 = belitan primer N2 = belitan sekunder VA primer = VA sekunder I1 x E1 = I1 x E2 E1/ E2 = I2 / I1 I1 = I2 ( E2/ E1) dengan : I1 = Arus primer I2 = Arus sekunder E1 = tegangan primer E2 = tegangan sekunder Rumus umum menjadi : E₁ N₁ I₂ = = E₂ N₂ I₁ 8 2.3 Transformator tenaga adalah suatu peralatan tenaga listrik yang berfungsi untuk menyalurkan tenaga/daya listrik dari tegangan tinggi ke tegangan rendah atau sebaliknya. Dalam operasi penyaluran tenaga listrik transformator dapat dikatakan sebagai jantung dari transmisi dan distribusi. Dalam kondisi ini suatu transformator diharapkan dapat beroperasi secara maksimal (kalau bisa terus menerus tanpa berhenti). Mengingat kerja keras dari suatu transformator seperti itu maka cara pemeliharaan juga dituntut sebaik mungkin. Oleh karena itu transformator harus dipelihara dengan menggunakan sistem dan peralatan yang benar, baik dan tepat. Untuk itu regu pemeliharaan harus mengetahui bagian-bagian transformator dan bagian-bagian mana yang perlu diawasi melebihi bagian yang lainnya. Berdasarkan tegangan operasinya dapat dibedakan menjadi transformator 500/150 kV dan 150/70 kV biasa disebut Interbus Transformator (IBT). Transformator 150/20kV dan 70/20 kV disebut juga trafo distribusi. Titik netral transformator ditanahkan sesuai dengan kebutuhan untuk sistem pengamanan / proteksi, sebagai contoh transformator 150/70 kV ditanahkan secara langsung di sisi netral 150 kV dan transformator 70/20 kV ditanahkan dengan tahanan rendah atau tahanan tinggi atau langsung di sisi netral 20 kV nya. Transformator dapat dibagi menurut fungsi / pemakaian seperti: - Transformator Mesin (Pembangkit ) - Transformator Gardu Induk - Transformator Distribusi 9 Transformator dapat juga dibagi menurut Kapasitas dan Tegangan seperti: - Transformator besar - Transformator sedang - Transformator kecil 2.3.1 Konstruksi Bagian-bagian Transformator Transformator terdiri dari : a. Bagian Utama. 1. Inti besi 2. Kumparan Transformator 3. Minyak Transformator 4. Bushing 5. Tangki Konservator b. Peralatan Bantu. 1. Pendingin 2. Tap Changer 3. Alat pernapasan (Dehydrating Breather) 4. Indikator-indikator : Thermometer, permukaan minyak c. Peralatan Proteksi. 1. Rele Bucholz 2. Pengaman tekanan lebih (Explosive Membrane) / Bursting Plate 3. Rele tekanan lebih (Sudden Pressure Relay) 4. Rele pengaman tangki 10 d. Peralatan Tambahan untuk Pengaman Transformator. 1. Pemadam kebakaran (transformator - transformator besar ) 2. Rele differensial (Differential Relay) 3. Rele arus lebih (Over current Relay) 4. Rele hubung tanah (Ground Fault Relay) 5. Rele thermis (Thermal Relay) 6. Arrester 2.3.2 Bagian Utama 2.3.2.1 Inti Besi Berfungsi untuk mempermudah jalan fluksi, yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melalui kumparan. Dibuat dari lempengan-lempengan besi tipis yang berisolasi, untuk mengurangi panas (sebagai rugi-rugi besi) yang ditimbulkan oleh Eddy Current. Gambar 2.7 Inti besi dan laminasi yang diikat fiber glass 11 2.3.2.2 Kumparan Transformator Adalah beberapa lilitan kawat berisolasi yang membentuk suatu kumparan. Kumparan tersebut terdiri dari kumparan primer dan kumparan sekunder yang diisolasi baik terhadap inti besi maupun terhadap antar kumparan dengan isolasi padat seperti karton, pertinak dan lain-lain. Kumparan tersebut sebagai alat transformasi tegangan dan arus. Gambar 2.8 Kumparan Phasa RST Kumparan primer (P) yaitu kumparan yang dihubungkan sumber tenaga listrik, kumparan ini dapat merupakan kumparan bertegangan tinggi atau bertegangan rendah tergantung dari pemakaian. Kumparan sekunder (S) yaitu kumparan yang dihubungkan dengan beban, kumparan tersebut merupakan kumparan tegangan tinggi atau tegangan rendah tergantung dari pemakaian. 12 Apabila tegangan pada Primer lebih besar Sekunder dan tentunya lilitan primer lebih banyak dari pada sekundernya, N1 lebih banyak N2 maka trafo tersebut disebut trafo penurun tegangan (step down). Sebaliknya apabila N1 lebih kecil maka trafo tersebut disebut trafo penaik tegangan (step up). I1 N1 V1 N2 E1 I2 E2 Gambar 2.9 Bagan transformator dengan : V1 : tegangan sumber V2 : tegangan beban I1 : arus primer I2 : arus sekunder : fluksi E1 : GGL induksi pada kumparan primer E2 : GGL induksi pada kumparan sekunder N1 : jumlah lilitan kumparan primer N2 : jumlah lilitan kumparan sekunder Z : impedansi beban di sisi sekunder 13 V2 Apabila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan, arus bolak-balik I1 akan mengalir pada kumparan primer. Oleh karena kumparan mempunyai inti besi, maka arus I1 menimbulkan fluks magnet yang juga berubahubah pada inti besi, sehingga timbul GGL (gaya gerak listrik) induksi E1 pada kumparan primer. E1 N 1 d volt ... dt (1) Fluks magnet yang menginduksikan GGL induksi E1 juga dialami oleh kumparan sekunder karena merupakan fluks bersama (mutual fluks). Fluks tersebut akan menginduksikan GGL induksi E2 pada kumparan sekunder. Besarnya GGL induksi pada kumparan sekunder adalah : E2 N 2 d volt ... dt (2) dengan : E1 : GGL induksi pada kumparan primer E2 : GGL induksi pada kumparan sekunder N1 : jumlah lilitan kumparan primer N2 : jumlah lilitan kumparan sekunder d : perubahan garis-garis gaya magnet dalam satuan weber dt : perubahan waktu dalam satuan detik 14 Dari persamaan (1) dan (2) didapatkan perbandingan lilitan berdasarkan perbandingan GGL induksi yaitu : a a E1 N1 ... E2 N 2 (3) : nilai perbandingan lilitan transformator (turn ratio) Apabila, a < 1, maka transformator berfungsi untuk menaikkan tegangan (step up transformer). a > 1, maka transformer berfungsi untuk menurunkan tegangan (step down transformer). Apabila transformator dianggap ideal (tidak ada rugi-rugi daya), maka daya input (P1) dapat dianggap sama dengan daya output (Po). P1 = P o V1I1 = V2 I2 I 1 V2 ... I 2 V1 (4) Dari persamaan (3) dan (4) untuk trafo ideal berlaku persamaan : a N1 V1 I 2 ... N 2 V2 I 1 (5) 15 2.3.2.3 Minyak Transformator Fungsi dari minyak Trafo adalah insulator yaitu mengisolasi kumparan di dalam trafo supaya tidak terjadi loncatan bunga api listrik (hubungan pendek) akibat tegangan tinggi. Pendingin yaitu mengambil panas yang ditimbulkan sewaktu trafo berbeban lalu melepaskannya. Melindungi komponen-komponen di dalam trafo terhadap korosi dan oksidasi. Untuk itu minyak trafo harus memenuhi persyaratan sebagai berikut : - Kekuatan isolasi harus tinggi, sesuai IEC 296 minyak trafo harus Class 1 & 2 yaitu untuk minyak baru dan belum di Filter > 30 kV/2,5 mm dan setelah difilter yaitu > 50 kV/2,5 mm. - Penyalur panas yang baik, berat jenis kecil, sehingga partikel-partikel dalam minyak dapat mengendap dengan cepat. - Viskositas yang rendah agar lebih mudah bersirkulasi dan kemampuan pendingan menjadi lebih baik. Pada IEC 296 Viskositas minyak class 1 saat suhu 40o C adalah < 16,5 cSt. - Titik nyala yang tinggi, tidak mudah menguap yang dapat membahayakan. Sesuai IEC 296 Flash point minyak trafo di atas 163oC dan Pour point adalah di bawah – 30 o C. - Tidak merusak bahan isolasi padat. - Sifat kimia Y Spesifikasi dan metode pengetesan minyak yang digunakan untuk minyak isolasi transformer adalah menggunakan standar IEC Publ 296 “Specification for unused mineral insulating oil for transformer and switchgear”. 16 Jika minyak isolasi transformator didatangkan dengan tangki tersendiri, besar moisture yang terdapat dalam minyak tidak boleh lebih besar dari 10 ppm dan dalam masa pengangkutan minyak tidak boleh terkontaminasi oleh udara. Maka sebelum minyak dipompakan ke dalam tangki transformer perlu dilakukan penyaringan dan pemurnian (Treatment). Tabel 2.1 Dielectric Strength dari Minyak untuk Tegangan Operasi Tegangan operasi (kV) > 170 70 – 170 < 70 Tegangan tembus minyak transformer Untuk Minyak Sudah Untuk Minyak Baru Dipakai IEC 156 KV/2,5 mm ≥ 50 ≥ 50 ≥ 50 IEC 156 KV/2,5 mm ≥ 50 ≥ 40 ≥ 30 17 Tabel 2.2 beberapa petunjuk untuk melihat Minyak Trafo Bagus 0,03 Kekuatan kertas (IFT) dynes/cm 45 Kuning pucat 0,10 30 Pendingina bagus Isolasi bagus Terjadi endapan (sludge) yang membaur di minyak yang akan menyebabkan IFT menurun. Warna dan Kelompok Angka Asam #0,5 Contoh A 0,05 27 Kuning muda 0,10 29 Umum 0,11 24 Kuning terang 0,15 27 Jelek 0,16 18 Kuning sawo 0,40 24 Amat jelek 0,41 14 Kuning sawo 0,65 18 Sangat jelek 0,66 9 Coklat kehitaman 1,50 14 1,5 6 dan lebih 9 Akibat pada transformator Menggambarkan bahwa : #10 #1,5 - 2,0 Terjadi endapan asam tipis pada lilitan, slude. Hal ini akan menjadi penyebab gangguan. Agar dihindari kandungan sludge yang menebal. Hampir semua Trafo pada keadaan ini terdapat endapan sludge pada lilitan dan inti. #2,5 #3,0 - 5,0 Endapan sludge akan beropsidasi kemudian mengeras dan terjadi juga di isolasi (kerts) mudah terjadi kerusakan. Sludge menyumbat sirip-sirip pendingin yang menyebabkan kenaikan temperatur sampai 20⁰ C. #5,0 - 7,0 Minyak kelas 7 (crude oil) Hitam Diperlukan suatu cara untuk menghilangkan sludge (yang lebih bagus dari("Sludge Purge"). Pada kondisi ini transformator harus di overhaul (tidak ada gunanya hanya dengan mengganti dengan minyak trafo) #7,0 - 8,0 18 2.3.2.4 Bushing Hubungan antara kumparan trafo ke jaringan luar melalui sebuah bushing yaitu sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator, yang sekaligus berfungsi sebagai penyekat antara konduktor tersebut dengan tangki trafo. Merk Haefly Type COT 650 Merk Haefly Type COT 1050 Merk Haefly Type COT 125 Gambar 2.10 Contoh Bushing Transformator 70/20 KV. 19 2.3.2.5 Tangki Konservator Pada umumnya bagian-bagian dari trafo yang terendam minyak trafo berada (ditempatkan) dalam tangki. Untuk menampung pemuaian minyak trafo, tangki dilengkapi dengan konservator. Konservator Gambar 2.11 Konservator Trafo 2.3.3 Peralatan Bantu 2.3.3.1 Pendingin Pada inti besi dan kumparan-kumparan akan timbul panas akibat rugi-rugi besi dan rugi-rugi tembaga. Bila panas tersebut mengakibatkan kenaikan suhu yang berlebihan, akan merusak isolasi (di dalam transformator). Maka untuk mengurangi kenaikan suhu transformator yang berlebihan maka perlu dilengkapi dengan alat/sistem pendingin untuk menyalurkan panas keluar transformator (gambar 2.12.) 20 Media yang dipakai pada sistem pendingin dapat berupa: Udara/gas, Minyak, Air, dan lain sebagainya. Sedangkan pengalirannya (sirkulasi) dapat dengan cara: Alamiah (natural), Tekanan/paksaan. Pada cara alamiah (natural), pengaliran media sebagai akibat adanya perbedaan suhu media dan untuk mempercepat perpindahan panas dari media tersebut ke udara luar diperlukan bidang perpindahan panas yang lebih luas antara media (minyak-udara/gas), dengan cara melengkapi transformator dengan siripsirip (Radiator). Bila diinginkan penyaluran panas yang lebih cepat lagi, cara natural/alamiah tersebut dapat dilengkapi dengan peralatan untuk mempercepat sirkulasi media pendingin dengan pompa-pompa sirkulasi minyak, udara dan air, cara ini disebut pendingin paksa (Forced). Macam-macam sistem pendingin transformator berdasarkan media dan cara pengalirannya dapat diklasifikasikan sebagai berikut (menurut IEC 1976) : Tabel 2.3 macam-macam sistem pendingin No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Macam Sistem Pendingin *) AN AF ONAN ONAF OFAN AFAF OFWF ONAN/ONAF ONAN/OFAN ONAN/OFAF ONAN/OFWF Media Dalam Transformator Diluar Transformator Sirkulasi Sirkulasi Sirkulasi Sirkulasi Alamiah Paksa Alamiah Paksa Udara Udara Minyak Udara Minyak Udara Minyak Udara Minyak Udara Minyak Air Kombinasi 3 dan 4 Kombinasi 3 dan 5 Kombinasi 3 dan 6 Kombinasi 3 dan 7 21 Gambar 2.12 Susunan Motor Blower untuk alat pendingin minyak Transformator secara udara dipaksakan. 2.3.3.2 Perubah 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. Untuk memenuhi kualitas tegangan pelayanan sesuai kebutuhan konsumen (PLN Distribusi), 22 tegangan keluaran (sekunder) transformator harus dapat dirubah sesuai keinginan. Untuk memenuhi hal tersebut, maka pada salah satu atau pada kedua sisi belitan transformator dibuat tap (penyadap) untuk merubah perbandingan transformasi (rasio) trafo. Ada dua cara kerja tap changer: 1. Mengubah tap dalam keadaan trafo tanpa beban. 2. Mengubah tap dalam keadaan trafo berbeban (On Load Tap Changer / OLTC) Transformator yang terpasang di gardu induk pada umumnya menggunakan tap changer yang dapat dioperasikan dalam keadaan trafo berbeban dan dipasang di sisi primer. Sedangkan transformator penaik tegangan di pembangkit atau pada trafo kapasitas kecil, umumnya menggunakan tap changer yang dioperasikan hanya pada saat trafo tenaga tanpa beban. OLTC terdiri dari : Selector Switch, Diverter switch, dan Transisi resistor. Untuk mengisolasi dari bodi trafo (tanah) dan meredam panas pada saat proses perpindahan tap, maka OLTC direndam di dalam minyak isolasi yang biasanya terpisah dengan minyak isolasi utama trafo (ada beberapa trafo yang compartemennya menjadi satu dengan main tank). Karena pada proses perpindahan hubungan tap di dalam minyak terjadi fenomena elektris, mekanis, kimia dan panas, maka minyak isolasi OLTC kualitasnya akan cepat menurun. tergantung dari jumlah kerjanya dan adanya kelainan di dalam OLTC. 23 Gambar 2.13 Perubah Tap Tegangan Tinggi (ON Load) pada transformator tenaga 3 phasa 50 Hz Gambar 2.14 Skema rangkaian Pengubah Tap untuk pengaturan tegangan 24 2.3.3.3 Alat Pernafasan (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 Gambar 2.15 Alat Pernafasan, Berupa tabung berisi Kristal Zat Hygroskopis 25 2.3.3.4 Indikator Untuk mengawasi selama transformator beroperasi, maka perlu adanya indikator pada transformator sebagai berikut: Indikator suhu minyak (Gambar 2.16.), Indikator permukaan minyak. (Gambar 2.16.), Indikator sistem pendingin, Indikator kedudukan tap, dan sebagainya Gambar 2.16 Alat pengukur suhu dan indikator permukaan minyak 2.3.4 Peralatan Proteksi Rele Proteksi adalah suatu alat pengaman untuk mendeteksi kondisi tidak normal atau gangguan yang terjadi dalam sistem tenaga listrik, dengan cara mengukur suatu besaran tertentu, lalu memberikan instruksi/perintah berupa besaran listrik atau mekanis sebagai tanggapan/respons atas besaran yang 26 dideteksinya. Instruksi yang merupakan besaran listrik ditujukan pada “trip coil”, pemutus tenaga (PMT) atau alat-alat indikator seperti lampu atau bel. 2.3.4.1 Kriteria Rele Proteksi Kriteria yang harus dipenuhi oleh suatu rele proteksi adalah : 1. Keandalan Rele proteksi harus dapat berfungsi dengan baik dan benar, terutama saat terjadi gangguan. Keandalan terdiri atas dua unsur yaitu : - Security, harus bekerja bila ada gangguan. - Dependability, tidak boleh bekerja bila tak ada gangguan. 2. Kecepatan Rele proteksi harus bekerja secepat mungkin untuk memutuskan bagian yang terganggu. Kecepatan bereaksi rele adalah saat rele mulai merasakan bagian adanya gangguan sampai dengan pelepasan pemutus (PMT). 3. Selektif Rele proteksi harus memiliki kemampuan untuk menentukan lokasi gangguan yang terjadi dan memilih pemutus (PMT) yang harus bekerja, untuk melokalisir sistem yang terkena gangguan dengan yang tidak terkena gangguan. Hal ini menyangkut koordinasi pengamanan sistem secara keseluruhan. 4. Ekonomis Faktor biaya memegang peranan penting dalam perencanaan sistem, karena itu diperlukan optimalisasi penggabungan dari seluruh kebutuhan dasar sistem 27 rele proteksi sehingga dapat dibuat suatu desain sistem yang ekonomis tanpa mengabaikan keandalan, selektifitas dan kecepatan. Diupayakan biaya perencanaan sistem ini tidak melampaui biaya peralatan yang diproteksi. 5. Kesederhanaan Sistem rele proteksi yang sederhana adalah sistem yang menggunakan komponen-komponen dan desain yang tepat, dengan jumlah rele, kontak serta rangkaian yang disesuaikan dengan kebutuhan. Kesederhanaan rele proteksi akan meningkatkan keandalannya. 2.3.4.2 Sitem Rele Proteksi Secara teori, suatu sistem rele proteksi akan langsung bereaksi terhadap keadaan yang tidak normal (gangguan). Pada prakteknya harus dipertimbangkan faktor-faktor yang mempengaruhi penggunaan sistem rele proteksi, yaitu : – Sistem operasi yang disesuaikan dengan standar yang berlaku. – Nilai ekonomis, yang terdiri dari investasi awal, biaya operasi dan perawatan sistem rele proteksi. – Gangguan-gangguan yang terjadi sebelumnya, termasuk gejala gangguan yang mungkin terjadi. – Data-data gangguan, lokasi transformator arus dan transformator tegangan. 2.3.4.3 Rele Utama (Primary Relay) Rele utama merupakan pengaman utama dari sistem, apabila terjadi gangguan pada sistem, rele akan membuka pemutus (PMT) secara langsung, 28 sehingga gangguan dapat dilokalisir. Salah satu rele utama dari transformator daya tiga fasa adalah rele differensial. 2.3.4.4 Rele Cadangan (Back-up Relaying) Jika rele utama gagal bekerja, maka yang akan bekerja adalah rele cadangan. Rele ini bertugas untuk melindungi daerah yang terkena gangguan dan melindungi daerah proteksi berikutnya. Selain itu rele cadangan sering digunakan untuk menggantikan rele utama saat dilakukan perawatan dan perbaikan. Rele arus lebih (OCR) dan rele gangguan tanah (GFR) merupakan rele cadangan untuk proteksi sistem secara menyeluruh. 2.3.4.5 Daerah-daerah Perlindungan (Zone of Protection) Koordinasi antar alat pengaman yang satu dengan yang lain sangat diperlukan, sehingga hanya alat pengaman yang terdekat dengan lokasi gangguan saja yang bekerja. Alat-alat pengaman sistem tenaga memiliki kemampuan kerja yang terbatas, karena itu perlu dibuat pembagian daerah-daerah perlindungan, agar didapatkan sensitivitas proteksi yang lebih baik. 2.3.4.6 Syarat-syarat Penggunaan Rele Proteksi Hal-hal yang perlu diketahui dalam penggunaan rele proteksi pada sistem tenaga listrik yaitu : 1. Konfigurasi Sistem Dalam bentuk diagram satu garis (single line diagram) yang menjelaskan setiap bagian dari sistem tenaga listrik, termasuk bagian proteksinya dengan 29 menunjukkan kapasitas dan lokasi dari transformator, hubungan transformator dan frekuensi sistem. 2. Tingkat proteksi yang dibutuhkan Jenis, kondisi dan prosedur operasi dari sistem proteksi yang digunakan harus ditentukan dahulu, selanjutnya dapat ditentukan tingkat proteksi yang harus bekerja cepat dan lambat serta waktu pemutusan dan penutuan PMT pada jaringan transmisi. 3. Studi gangguan Untuk kebutuhan setting rele proteksi, studi gangguan yang dilakukan adalah studi gangguan hubung singkat tiga fasa, dua fasa dan satu fasa ke tanah. 4. Beban maksimum, data-data transformator dan impedansi Beban maksimum, data transformator, impedansi, serta hubungan trafo arus dan trafo tegangan termasuk perbandingan arus dan lokasi penempatannya merupakan syarat penting dalam penggunaan rele proteksi. 2.3.5 Jenis & Prinsip Kerja Rele Proteksi Transformator Daya Tiga Fasa 2.3.5.1 Rele Differensial Rele differensial merupakan pengaman utama (main protection) yang digunakan untuk mengamankan transformator terhadap gangguan hubung singkat yang terjadi di dalam daerah kerja (internal), yang daerah kerjanya dibatasi oleh penempatan transformator arus (current transformer/CT) yang satu dengan 30 transformator arus lainnya. Rele differensial ini mempunyai keunggulan dibandingkan rele proteksi lainnya yaitu : – sangat selektif, sehingga tidak perlu dikoordinir dengan rele lainnya. – sangat cepat dan tidak memerlukan waktu tunda (time delay). Prinsip kerja rele differensial yaitu dengan membandingkan arus masuk dan arus yang keluar dari transformator. Dimana bila dalam keadaan normal arusarus masuk relay selalu sama (i1 = i2). Apabila terjadi gangguan maka salah satu arus akan berbeda nilai dan ini akan dideteksi oleh rele dan rele akan bekerja. Agar rele dapat bekerja maka : – CT1 (current transformer/transformator arus) dan CT2 harus mempunyai rasio sedemikian rupa sehingga i1 = i2. – Sambungan dari polaritas CT1 dan CT2 harus betul. Gambar 2.17 Rangkaian rele differensial pada transformator daya 31 2.3.5.2 Rele Arus Lebih (Over Current Relay) Rele arus lebih digunakan untuk mengamankan transformator terhadap gangguan hubung singkat antara fasa baik di dalam (internal) maupun di luar (eksternal) daerah proteksi transformator. Rele ini dapat berfungsi sebagai cadangan (back-up) dari rele differensial. Rele ini bekerja berdasarkan besaran arus lebih dan memberikan instruksi “trip” ke pemutus (PMT) sesuai dengan karakteristik waktunya. Prinsip kerja rele arus lebih yaitu bila pada kondisi normal, arus beban (Ip) oleh transformator arus (CT) ditransformasikan ke besaran sekunder (Ir) sehingga arus Ir akan mengalir pada kumparan rele. Karena nilai arus lebih kecil dari pada suatu nilai yang ditetapkan, maka rele tidak bekerja. Bila terjadi gangguan hubung singkat, arus Ip akan naik dan menyebabkan arus Ir juga naik. Jika arus Ir melebihi nilai settingnya maka rele akan bekerja dan memberikan instruksi trip ke PMT, sehingga gangguan dapat diisolir. Gambar 2.18 Rangkaian rele arus lebih 32 2.3.5.3 Rele Gangguan Tanah (Ground Fault Relay) Rele ganguan tanah berfungsi untuk mengamankan transformator terhadap gangguan hubung singkat fasa ke tanah. Prinsip kerjanya yaitu, bila terjadi ketidak seimbangan arus atau gangguan hubung singkat fasa ke tanah, akan timbul arus beban nol pada titik pentanahan transformator, sehingga rele pada titik netral transformator akan bekerja. OCR GFR Gambar 2.19 Rele gangguan tanah dipasang seri dengan tiga buah rele arus lebih Pada gambar di atas menunjukkan rele gangguan tanah dipasang seri setelah titik bintang dari ketiga kumparan OCR dan tanah, masing-masing fasa dilengkapi dengan rele arus lebih (OCR). 2.3.5.4 Rele Gangguan Tanah Terbatas (Restricted Earth Fault) Rele gangguan tanah terbatas digunakan untuk mengamankan transformator terhadap gangguan tanah di dekat titik netral, dan proteksi ini hanya mendeteksi gangguan tanah yang terjadi didalam trafo dan tidak bekerja untuk external faulth. Proteksi ini memberikan perintah trip tanpa time delay. 33 Prinsip kerjanya yaitu jika terjadi gangguan tanah di dalam daerah proteksi, arus akan mengalir menuju rele dan mengaktifkan rele Gambar 2.20 Rangkaian rele gangguan tanah terbatas 2.3.5.5 Rele Tangki Tanah Rele tangki tanah digunakan untuk mengamankan transformator terhadap gangguan hubung singkat antara kumparan fasa dengan tanki transformator (pada transformator yang titik netralnya diketanahkan). Prinsip kerjanya yaitu akan mengalir arus urutan nol dan mengaktifkan rele, jika terjadi gangguan tanah internal atau flash over pada bushing. 34 Gambar 2.21 Rangkaian rele tanki tanah 2.3.5.6 Rele Bucholz Rele bucholz adalah alat/rele untuk mendeteksi dan mengamankan terhadap gangguan di dalam transformator yang menimbulkan gas. Gas yang timbul diakibatkan oleh karena : 1. Hubung singkat antar lilitan /dalam phasa 2. Hubung singkat antar phasa 3. Hubung singkat antar phasa ke tanah 4. Busur api listrik antar laminasi 5. Busur aplistrik karena kontak yang kurang baik Gambar 2.22 Rele Bucholz 35 (a) (b) (c) Gambar 2.23 (a) Rele bucholz saat bekerja akibat minyak kurang dalam trafo. (b) Rele bucholz saat bekerja akibat akumulasi gas yang timbul dalam trafo. (c) Rele bucholz saat bekerja akibat flow minyak karena gangguan dalam trafo. 2.3.5.7 Rele Tekanan Lebih (Sudden Pressure Relay) Rele tekanan lebih digunakan untuk mendeteksi tekanan yang berlebih pada tangki transformator yang disebabkan gangguan internal. Rele ini ditempatkan pada dinding tangki transformator di bawah batas minimum minyak. Prinsip kerjanya yaitu jika tekanan di dalam tangki transformator naik melebihi kekuatan diafragma pada rele (terbuat dari kaca, plastik atau tembaga), maka diafragma tersebut akan pecah dan jarum pemecah (breaking needle) akan keluar untuk mengaktifkan switch. 36 Gambar 2.24 Rele tekanan lebih 2.3.5.8 Rele Suhu Rele suhu digunakan sebagai rele mekanis untuk mendeteksi suhu minyak dan kumparan secara langsung. Rele ini memiliki sensor temperatur yang dihubungkan ke peralatan (termometer dan kontak-kontak) melalui pipa kapiler. Prinsip kerjanya yaitu jika terjadi gangguan yang mengakibatkan kenaikan suhu pada minyak dan kumparan, panas yang diterima sensor temperatur diubah menjadi gerakan mekanis untuk menggerakkan poros yang mempunyai jarum penunjuk suhu dan beberapa kontak yang bekerja sesuai kenaikan suhu secara bertahap. Tahap pertama menjalankan sistem pendinginan, tahap kedua memberikan sinyal alarm dan tahap terakhir memberikan perintah trip ke PMT. 37 Gambar 2.25 Rangkaian rele suhu 2.3.5.9 Proteksi Api (Fire Protection) Trafo Tenaga adalah salah satu peralatan yang cukup mahal yang terpasang di pusat pembangkit dan Gardu Induk. Setiap Trafo Tenaga terisi dengan material yang mudah terbakar dengan jumlah yang cukup besar yang mana bila tersulut dapat menjalarkan api ke instalasi yang berdekatan. Oleh karena itu sangat perlu dilengkapi dengan peralatan pengamannya. Kegagalan-kegagalan Trafo Tenaga umumnya disebabkan oleh Break Down isolasi pada bagian internal Trafo. Adanya energi busur listrik akan diikuti kenaikan temperatur dan tekanan yang sangat cepat di dalam tangki Trafo. Terbakarnya minyak pada jumlah tertentu dapat mengakibatkan tekanan yang sangat tinggi kearah luar melalui kisaran bidang tertentu dan dapat langsung diikuti nyala api. Salah satu peralatan proteksi yang dapat mencegah api dan ledakan yang merusak trafo adalah “SERGI” yang metode pengamanannya disebut sebagai pengaman trafo dari ledakan dan kebakaran. 38 2.4 Kriteria Penyetelan Rele Proteksi Dalam penggunaan rele proteksi diperlukan beberapa kriteria penyetelan rele yang meliputi : a. Data transformator yang terdiri dari : – Kapasitas daya transformator (MVA) – Perbandingan transformator arus (CT) (Ampere) – Impedansi hubung singkat transformator (%) – Tahanan pentanahan () – Pengelompokan vektor (untuk hubungan YY, Y atau Y) b. Kapasitas (MVA) hubung singkat sistem proteksi tiga fasa dan satu fasa c. Setting rele proteksi pada transformator yang meliputi : – Setting arus – Setting tegangan – Setting waktu d. Koordinasi setting 2.5 Penyetelan Rele Differensial Syarat-syarat suatu proteksi differensial adalah : – besarnya arus-arus yang masuk rele differensial harus sama. – fase arus-arus tersebut harus berlawawnan. Agar persyaratan tersebut dipenuhi, dapat dipergunakan trafo arus bantu (Auxilary Current Transformer/ACT) yang berfungsi untuk : 39 – mencocokkan / menyeimbangkan arus yang akan masuk ke differensial rele dari masing-masing pihak. – mencocokkan pergeseran fase dari arus-arus yang akan masuk ke rele differensial. Oleh karena itu pada penyetelan rele differensial diperlukan penentuan rasio dan hubungan (group vektor) CT, penentuan rasio dan hubungan ACT. 1. Penentuan rasio dan hubungan CT In1 MVA trafo In 2 MVA trafo 3xVt1 3xVt2 dengan : 2. – In1 adalah arus nominal trafo sisi tegangan tinggi. – In2 adalah arus nominal trafo sisi tegangan rendah – Vt1 adalah tegangan trafo sisi tegangan tinggi – Vt2 adalah tegangan trafo sisi tegangan rendah – Rasio CT adalah rasio yang tersedia di PLN dimana rasio CT > In. Penentuan rasio dan group vektor ACT RACT1 TS1 TP1 RACT2 TS 2 TP2 40 dengan : - RACT1 adalah perbandingan arus pada ACT1 - RACT2 adalah perbandingan arus pada ACT2. - TS1 adalah rasio belitan sekunder ACT sisi tegangan tinggi - TS2 adalah rasio belitan sekunder ACT sisi tegangan rendah - TP1 adalah rasio belitan primer ACT sisi tegangan tinggi - TP2 adalah rasio belitan primer ACT sisi tegangan rendah Data-data yang diperlukan dalam menentukan rasio dan hubungan CT/ACT : - Daya dari transformator daya - Tegangan transformator daya - Impedansi transformator daya - Group vektor transformator daya 41 2.6 Gangguan Hubung Singkat Internal Gangguan ini umumnya dapat dideteksi karena selalu muncul arus dan tegangan yang tidak normal/tidak seimbang. Jenis gangguan ini berupa : – Gangguan hubung singkat fasa ke tanah – Gangguan hubung singkat fasa ke fasa – Gangguan hubung singkat antar lilitan pada kumparan yang sama – Gangguan-gangguan pada terminal transformator (bushing) Untuk menentukan nilai arus gangguan hubung singkat dapat dilakukan cara perhitungan sebagai berikut : Gangguan hubung singkat tiga fasa SISTEM Ia TENAGA Ib Ic a Zf f b Zf Zf c Gambar 2.26 Gangguan hubung singkat tiga fasa dengan impedansi gangguan Zf Persamaan dasar : Va1 = Vf – Ia1Z1 Va2 = –Ia2Z2 Va0 = –Ia0Z0 Untuk gangguan ini diperoleh persamaan keadaan pada titik f : 42 Va – Vb = Ia Zf = Ib Zf Va – Vc = Ia Zf – Ic Zf Ia + Ib + Ic = 0 Dari persamaan di atas diperoleh : If Vf Z1 Z f Gangguan hubung singkat dua fasa SISTEM Ia = 0 TENAGA Ib a b Zf Ic f c Gambar 2.27 Gangguan hubung singkat dua fasa dengan impedansi gangguan Zf Untuk gangguan hubung singkat dua fasa persamaan keadaan pada titik f : Ia = 0 Ib = –Ic Vb – Vc = Ib Zf = –IcZf Dari persamaan di atas diperoleh : If j 3 Vf Z1 Z 2 Z f 43 Gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah SISTEM TENAGA f a Ia Ib=0 b Ic=0 c Gambar 2.29 Gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah dgn impedansi gangguan Zf Untuk gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah persamaan keadaan pd titik f : Ib = 0 Ic = 0 Va= IaZf Dari persamaan di atas diperoleh : If 3V f Z 1 Z 2 Z 0 3Z f Dalam studi gangguan hubung singkat pada sistem proteksi transformator daya lebih ditujukan pada gangguan tiga fasa karena menghasilkan arus gangguan yang paling besar dan gangguan satu fasa ke tanah karena merupakan gangguan yang sering terjadi. Studi gangguan hubung singkat tiga fasa digunakan untuk menentukan setting rele proteksi gangguan fasa, sedangkan studi gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah digunakan untuk setting rele-rele proteksi gangguan hubung tanah. 44 2.7 Gangguan Luar 2.7.1 Gangguan Hubung Singkat Eksternal Gangguan ini terjadi di luar trafo daya, misalnya : gangguan hubung singkat di rel penghantar (feeder) dan pada sistem sumber tenaga dari trafo daya. Gangguan ini dapat dideteksi karena timbulnya arus yang cukup besar, mencapai beberapa kali arus nominalnya. 2.7.2 Pembebanan Lebih Transformator daya saat beroperasi secara terus-menerus pada arus beban nominalnya (100% x INT). Apabila beban yang dilayani lebih besar dari 100%, transformator akan mengalami pemanasan lebih. Kondisi ini tidak akan menimbulkan kerusakan pada trafo daya secara langsung, tetapi apabila berlangsung terus menerus akan mengurangi umur isolasi trafonya. Macam-macam Gangguan Pada Transformator 1. Gangguan pada transformator yaitu : – Kelembaban tinggi – Kerusakan isolasi pada lilitan karena gangguan luar dan gangguan mekanis dan pada isolasi belitan – Pemanasan berlebih – Belitan yang terbuka atau putus – Gangguan hubung singkat tanah – Gangguan hubung singkat antara fasa 45 2. Gangguan pada tap charger yaitu : – Gangguan mekanis – Gangguan pada kontaktor – Pemanasan berlebih – Gangguan hubung singkat – Gangguan eksternal 3. Gangguan pada bushing di antaranya : – Umur, kadar kontaminasi dengan lingkungan – Flash over yang disebabkan binatang – Kelembaban tinggi – Kurangnya minyak pada bushing 4. Gangguan pada terminal panel yaitu : – Kontak yang terlepas – Kurangnya isolator – Kelembaban tinggi – Gangguan hubung singkat – Kesalahan dalam penyambungan 5. Gangguan pada inti besi di antaranya : – Kesalahan pada isolasi pada inti besi – Gangguan hubung singkat pada laminasi – Terlepas klem (clamp), baut 6. Gangguan-gangguan lain di antaranya : – Gangguan pada bushing transformator 46 – Adanya butiran logam pada minyak transformator – Gangguan pada peralatan bantu (pendingin, alat pernapasan) – Tegangan lebih 47
