BAB 3 Trafo daya

BAB 3
PEMBAHASAN
1.1 Pengertian Transformator Daya
Transformator daya atau trafo daya adalah suatu peralatan listrik yang termasuk dalam
klasifikasi mesin listrik statis(karena sekundernya tidak berputar), yang berfungsi
menyalurkan tenaga/daya listrik dari tegangan tinggi ke tegangan rendah atau sebaliknya
menggunakan prinsip induksi elektromagnetik.
Selain itu, transformator juga dapat digunakan untuk sampling tegangan, sampling arus,
dan juga mentransformasi impedansi. Transformator terdiri dari dua atau lebih kumparan
yang membungkus inti besi feromagnetik. Kumparan-kumparan tersebut biasanya satu sama
lain tidak dihubungkan secara langsung. Kumparan yang satu dihubungkan dengan sumber
listrik AC (kumparan primer) dan kumparan yang lain mensuplai listrik ke beban (kumparan
sekunder). Bila terdapat lebih dari dua kumparan maka kumparan tersebut akan disebut
sebagai kumparan tersier, kuarter, dst.
1.2 Prinsip Kerja Transformator Daya
Ketika Kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, perubahan
arus listrik pada kumparan primer menimbulkan perubahan medan magnet. Medan magnet
yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi. Inti besi berfungsi untuk mempermudah jalan
fluksi yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melalui kumparan, sehingga fluks magnet yang
timbulkan akan mengalir ke kumparan sekunder, sehingga pada ujung-ujung kumparan
sekunder akan timbul ggl induksi. Efek ini dinamakan induktansi timbal-balik (mutual
inductance). Bila pada rangkaian sekunder ditutup (rangkaian beban) maka akan mengalir
arus pada kumparan sekunder. Jika efisiensi sempurna (100%), semua daya pada lilitan
primer akan dilimpahkan ke lilitan sekunder.
Jika kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan AC (dialiri arus listrik AC),
besi lunak akan menjadi elektromagnet. Karena arus yang mengalir tersebut adalah arus AC,
garis-garis gaya elektromagnet selalu berubah-ubah. Oleh karena itu, garis-garis gaya yang
dilingkupi oleh kumparan sekunder juga berubah-ubah. Perubahan garis gaya itu
menimbulkan GGL induksi pada kumparan sekunder. Hal itu menyebabkan pada kumparan
sekunder mengalir arus AC (arus induksi).
1.3 Klasifikasi Transformator Daya
Transformator daya dapat diklasifikasikan dalam beberapa cara, yaitu:
1. Menurut Pemasangan:
• Transformator pasangan dalam
• Transformator pasangan luar
2. Menurut Fungsi dan Pemakaian:
• Transformator mesin (untuk mesin-mesin listrik)
• Transformator Gardu Induk
• Transformator Distribusi
3. Menurut Kapasitas dan tegangan Kerja
• Transformator besar (lebih dari 100MVA)
• Transformator sedang (sampai dengan 100MVA)
• Transformator kecil (500-7500kVA)
3.4 Komponen Transformator Daya
1. Bagian Utama
1. Inti Besi
Inti besi pada transformator adalah tempat dimana mengalirnya fluks elektromagnetic
dari kumparan (lilitan) primer ke lilitan sekunder (keluaran). Terbuat dari lempenganlempengan baja tipis yang saling diisolasi, untuk mengurangi rugi rugi daya (dalam
bentuk thermal) yang ditimbulkan oleh adanya rugi rugi hysteresis dan rugi rugi akibat
arus pusar (eddy current). Rugi-rugi ini disebut rugi tanpa beban karena selalu timbul
walaupun tidak saling memasok beban.
Gambar 3.4.1.1: Inti Besi dan Laminasi yang diikat Fiber Glass
2. Kumparan Transformator
Beberapa lilitan kawat berisolasi membentuk suatu kumparan. Kumparan tersebut
diisolasi baik terhadap inti besi maupun terhadap kumparan lain dengan isolasi padat
seperti karton, pertinax dan lain-lain. Kumparan tersebut terlapis isolasi sehingga
tidak akan terjadi hubung singkat. Selain itu, isolasi juga terdapat pada inti yang
dimaksudkan tidak ada arus yang terbuang pada inti besi tanpa induksi. Umumnya
pada trafo terdapat kumparan primer dan sekunder. Kumparan sebagai alat
transformasi tegangan dan arus.
Gambar 3.4.1.2: Kumparan Phasa RST
3. Minyak Transformator
Sebagian besar trafo tenaga kumparan-kumparan dan intinya direndam dalam
minyak-trafo, terutama trafo-trafo tenaga yang berkapasitas besar, karena minyak
trafo mempunyai sifat sebagai media pemindah panas (disirkulasi) dan bersifat pula
sebagai isolasi (daya tegangan tembus tinggi) sehingga berfungsi sebagai media
pendingin dan isolasi. Untuk itu minyak trafo harus memenuhi persyaratan sebagai
berikut:
• kekuatan isolasi tinggi
2
•
•
•
•
•
penyalur panas yang baikberat jenis yang kecil, sehingga partikel-partikel
dalam minyak dapat mengendap dengan cepat
viskositas yang rendah agar lebih mudah bersirkulasi dan kemampuan
pendinginan menjadi lebih baik
titik nyala yang tinggi, tidak mudah menguap yang dapat membahayakan
tidak merusak bahan isolasi padat
sifat kimia yang stabil.
4. Bushing
Bushing pada Transformator berfungsi untuk menghubungkan kumparan
Transformator dengan rangkaian luar yang diberi selubung isolasi (bushing adalah
sebuah konduktor). Selain itu, bushing pada Transformator burfungsi sebagai
penyekat antara konduktor dengan tangki transformator (trafo).
Gambar 3.4.1.4: Bushing
5. Tangki dan Konservator Transformator Daya
Pada umumnya bagian-bagian dari trafo yang terendam minyak trafo berada
(ditempatkan) dalam tangki. Untuk menampung pemuaian minyak trafo, tangki
dilengkapi dengan konservator. Alat ini merupakan tabung berisi minyak
transformator yang disimpan (diletakan) pada bagian atas tangki. Konservator
berfungsi untuk menjaga ekspansi atau meluapnya minyak akibat pemanasan, selain
itu dapat juga menjadi saluran pengisian minyak transformator
Gambar 3.4.5: Konservator minyak trafo
3
2. Peralatan Bantu
1. Sistem Pendingin
Pada inti besi dan kumparan – kumparan akan timbul panas akibat rugi-rugi tembaga.
Maka panas tersebut mengakibatkan kenaikan suhu yang berlebihan, ini akan merusak
isolasi, maka untuk mengurangi kenaikan suhu yang berlebihan tersebut transformator
perlu dilengkapi dengan alat atau sistem pendingin untuk menyalurkan panas keluar
transformator, media yang dipakai pada sistem pendingin dapat berupa: Udara/gas,
Minyak dan Air.
Sistem pendinginan transformator dapat dibagi menurut jenis trafo, yaitu:
1. Oil Cooling (Oil Immersed Transformator)
2. Air Cooling (Dry Tipe Transformator)
Metode pendinginan untuk oil immersed transformator dapat berbentuk:
a. Oil Natural Cooling
b. Oil Natural-Air Blast Cooling
c. Water-Oil Cooling
Gambar 3.4.2.1: Pendingin trafo type ONAF
2. Tap Changer
Tap Changer adalah perubah perbandingan transformator untuk mendapatkan
tegangan operasi sekunder sesuai yang diinginkan dari tegangan jaringan/primer yang
berubah-ubah. Tap changer dapat dilakukan baik dalam keadaan berbeban (on-load)
atau dalam keadaan tak berbeban (off load), tergantung jenisnya.
Gambar 3.4.2.2: Tao Changer
3. Alat Pernapasan (Dehydration Breather)
Karena pengaruh naik turunnya beban trafo maupun suhu udara luar, maka suhu
minyakpun akan berubah-ubah mengikuti keadaan tersebut. Bila suhu minyak tinggi,
4
minyak akan memuai dan mendesak udara di atas permukaan minyak keluar dari
dalam tangki, sebaliknya bila suhu minyak turun, minyak menyusut maka udara luar
akan masuk ke dalam tangki. Proses itu disebut pernapasan trafo. Permukaan minyak
trafo akan selalu bersinggungan dengan udara luar yang menurunkan nilai tegangan
tembus minyak trafo, maka untuk mencegah hal tersebut, pada ujung pipa
penghubung udara luar dilengkapi tabung berisi kristal zat hygroskopis.
Gambar 3.4.2.3: Breather
4. Alat Indikator
Untuk mengawasi selama transformator beroperasi, maka perlu adanya indicator yang
dipasang pada transformator. Indikator tersebut adalah sebagai berikut:
• indikator suhu minyak
• indikator permukaan minyak
• indikator sistem pendingin
• indikator kedudukan tap, dan sebagainya.
Gambar 3.4.2.4 :indicator level minyak dan indikator temperatur
3. Peralatan Proteksi
1. Rele Bucholz
Rele Bucholz adalah rele alat/rele untuk mendeteksi dan mengamankan terhadap
gangguan di dalam trafo yang menimbulkan gas.
Gas yang timbul diakibatkan oleh:
a. Hubung singkat antar lilitan pada/dalam phasa
b. Hubung singkat antar phasa
c. Hubung singkat antar phasa ke tanah
d. Busur api listrik antar laminasi
e. Busur api listrik karena kontak yang kurang baik.
5
Gambar 3.4.3.1: Rele Bucholz
2. Pengaman tekanan lebih
Alat ini berfungsi sebagai pengaman tangki trafo terhadap kenaikan tekan gas yang
timbul di dalam tangki yang akan pecah pada tekanan tertentu dan kekuatannya lebih
rendah dari kakuatan tangi trafo.
Gambar 3.4.3.2: Plat mengaman tekanan lebih
3. Rele tekanan lebih
Rele ini berfungsi hampir sama seperti rele Bucholz, yakni mengamankan terhadap
gangguan di dalam trafo. Bedanya rele ini hanya bekerja oleh kenaikan tekanan gas
yang tiba-tiba dan langsung mentripkan P.M.T.
Gambar 3.4.3.3: Relai Tekanan Lebih
4. Rele Diferensial
Berfungsi mengamankan trafo dari gangguan di dalam trafo antara lain flash over
antara kumparan dengan kumparan atau kumparan dengan tangki atau belitan dengan
belitan di dalam kumparan ataupun beda kumparan.
6
Gambar 3.4.3.4: Relai Diferenaial
5. Rele Arus lebih
Befungsi mengamankan trafo arus yang melebihi dari arus yang diperkenankan lewat
dari trafo terseut dan arus lebih ini dapat terjadi oleh karena beban lebih atau gangguan
hubung singkat.
Gambar 3.4.3.5: Relai Arus Lebih
6. Rele Tangki tanah
Berfungsi untuk mengamankan trafo bila ada hubung singkat antara bagian yang
bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan pada trafo.
Gambar 3.4.3.6: Relai Tangki Tanah
7. Rele Hubung tanah
Berfungsi untuk mengamankan trafo bila terjadi gangguan hubung singkat satu phasa
ke tanah.
Gambar 3.4.3.7: Relai Hubung Tanah
7
8. Rele Termis
Berfungsi untuk mencegah/mengamankan trafo dari kerusakan isolasi kumparan,
akibat adanya panas lebih yang ditimbulkan oleh arus lebih. Besaran yang diukur di
dalam rele ini adalah kenaikan temperatur.
3.5 Jenis Rugi- Rugi pada Transformator Daya
1. Kerugian tembaga merupakan kerugian I2R dalam lilitan tembaga yang disebabkan oleh
resistansi tembaga dan arus listrik yang mengalirinya.
2. Kerugian kopling merupakan kerugian yang terjadi karena kopling primer-sekunder tidak
sempurna, sehingga tidak semua fluks magnet yang diinduksikan primer memotong lilitan
sekunder. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggulung lilitan secara berlapis-lapis
antara primer dan sekunder.
3. Kerugian kapasitas liar merupakan kerugian yang disebabkan oleh kapasitas liar yang
terdapat pada lilitan-lilitan transformator. Kerugian ini sangat mempengaruhi efisiensi
transformator untuk frekuensi tinggi. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggulung
lilitan primer dan sekunder secara semiacak (bank winding).
4. Kerugian histeresis merupakan kerugian yang terjadi ketika arus primer AC berbalik arah.
Disebabkan karena inti transformator tidak dapat mengubah arah fluks magnetnya dengan
seketika. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggunakan material inti reluktansi
rendah.
5. Kerugian efek kulit. Sebagaimana konduktor lain yang dialiri arus bolak-balik, arus
cenderung untuk mengalir pada permukaan konduktor. Hal ini memperbesar kerugian
kapasitas dan juga menambah resistansi relatif lilitan. Kerugian ini dapat dikurang dengan
menggunakan kawat Litz, yaitu kawat yang terdiri dari beberapa kawat kecil yang saling
terisolasi. Untuk frekuensi radio digunakan kawat geronggong atau lembaran tipis
tembaga sebagai ganti kawat biasa.
6. Kerugian arus eddy (arus olak) merupakan kerugian yang disebabkan oleh GGL masukan
yang menimbulkan arus dalam inti magnet yang melawan perubahan fluks magnet yang
membangkitkan GGL. Karena adanya fluks magnet yang berubah-ubah, terjadi olakan
fluks magnet pada material inti. Kerugian ini berkurang kalau digunakan inti berlapislapisan.
3.6 Hubungan Transformator Daya 3 Fasa
Secara umum dikenal tiga cara untuk menyambung rangkaian listrik sebuah transformator
tiga fasa, yaitu hubungan bintang, hubungan segitiga, dan hubungan Zig- zag.
8
1. Hubungan Bintang – Bintang
Hubungan dari tipe ini lebih ekonomis untuk arus nominal yang kecil,
transformator tegangan tinggi. Jumlah dari lilitan perfasa dan jumlah isolasi
minimum karena tegangan fasa 1/√3 tegangan jala-jala (Line), juga tidak ada
perubahan fasa antara tegangan primer dengan sekunder. Bila beban pada sisi
sekunder dari transfor-mator tidak seimbang, maka tegangan fasa dari sisi beban akan
berubah kecuali titik bintang dibumikan.
Gambar 3.6.1: Hubungan Bintang – Bintang
9
2. Hubungan Segitiga – Segitiga
Hubungan ini umumnya digunakan dalam sistem yang menyalurkan arus besar
pada tegangan rendah dan terutama saat kesinambungan dari pelayanan harus
dipelihara meskipun satu fasa mengalami kegagalan. Adapun beberapa keuntungan
dari hubungan ini adalah :
 Tidak ada perubahan fasa antara tegangan primer dengan sekunder.
 Luas penampang dari konduktor dikurangi karena arus fasa 1/√3 arus jala-
jala
 Tidak ada kesulitan akibat beban tidak seimbang pada sisi sekunder.
Kerugian yang terjadi pada hubungan ini adalah :
 Lebih banyak isolasi dibutuhkan dibandingkan dengan hubungan bintang-
bintang.
 Tidak adanya titik bintang memungkin, merupakan kerugian yang dapat
membahayakan. Bila salah satu jalajala ke tanah karena kegagalan,
tegangan maksimum antara kumparan dan inti akan mencapai tegangan
jala-jala penuh.
Gambar 3.6.2 : Hubungan Segitiga - Segitiga
10
3. Hubungan Bintang – Segitiga
Hubungan transformator tipe ini pada prinsipnya digunakan, dimana tegangan
diturunkan (Step - Down), seperti pada jaringan transmisi. Pada hubungan ini,
perbandingan tegangan jala-jala 1/√3 kali perbandingan lilitan transformator dan
tegangan sekunder tertinggal 30 derajat dari tegangan primer.
Gambar 3.6.3 : Hubungan Bintang - Segitiga
11
4. Hubungan Segitiga – Bintang
Hubungan ini umumnya digunakan, dimana diperlukan untuk menaikkan
tegangan (Step-Up), misalnya pada awal sistem transmisis tegangan tinggi. Dalam
hubungan ini perbandingan tegangan √3 kali perbandingan lilitan transformator dan
tegangan sekunder mendahului sebesar 30°.
Gambar 3.6.4: Hubungan Segitiga - Bintang
12
5. Hubungan Zig – Zag
Kebanyakan transformator distribusi selalu dihubungkan bintang, salah satu syarat
yang harus dipenuhi oleh transformator tersebut adalah ketiga fasanya harus
diusahakan seimbang. Apabila beban tidak seimbang akan menyebabkan timbulnya
tegangan titik bintang yang tidak diinginkan, karena tegangan pada peralatan yang
digunakan pemakai akan berbeda-beda.
Untuk menghindari terjadinya tegangan titik bintang, diantaranya adalah dengan
menghubungkan sisi sekunder dalam hubungan Zig-zag. Dalam hubungan Zig- zag sisi
sekunder terdiri atas enam kumparan yang dihubungkan secara khusus.
Ujung-ujung dari kumparan sekunder disambungkan sedemikian rupa, supaya arah
aliran arus didalam tiap-tiap kumparan menjadi bertentangan. Karena e 1 tersambung
secara berlawanan dengan gulungan e2, sehingga jumlah vektor dari kedua tegangan
itu menjadi
:
Gambar 3.6.5: Hubungan Zig - Zag
13
3.7 Gangguan pada Transformator Daya
1. Gangguan Internal
Gangguan internal adalah gangguan yang terjadi di dalam transformator tenaga itu sendiri,
sebagai berikut :
1. Incipient Faults
Adalah gangguan kecil yang apabila tidak segera terdeteksi akan membesar dan akan
menyebabkan yang lebih serius seperti :
a. Terjadinya busur api (arc) yang kecil dan pemanasan lokal yang akan disebabkan
oleh:
–Cara penyambungan kumparan yang kurang baik
– Kerusakan isolasi dari penjepit inti
b. Gangguan pada sistem pendingin
Semua gangguan tersebut diatas akan menyebabkan terjadinya pemanasan lokal tetapi
tidak mempengaruhi suhu transformator secara keseluruhan. Gangguan ini tidak dapat
terdeteksi dari terminal transformator karena keseimbangan arus tegangan tidak
berbeda dengan kondisi normal .
2. Gangguan hubung singkat
Pada umumnya gangguan ini dapat segera terdeteksi karena akan selalu timbul
arus/tegangan yang tidak normal/tidak seimbang .
Jenis gangguan ini antara lain :
a. Hubung singkat fasa ke tanah
b. Hubung singkat antar fasa pada kumparan yang sama
c. Gangguan pada terminal transformator
2. Gangguan Eksternal
Gangguan eksternal yaitu gangguan yang terjadi diluar transformator tenaga (pada sistem
tenaga listrik) tetapi dapat menimbulkan gangguan pada transformator yang bersangkutan,
sebagai berikut :
1. Gangguan hubung singkat
Gangguan hubung singkat diluar transformator ini biasanya dapat segera dideteksi
karena timbulnya arus yang sangat besar, dapat mencapai beberapa kali arus
nominalnya, seperti :Hubung singkat di rel, hubung singkat pada penyulang(feeder,
hubung singkat pada incoming feeder transformator tersebut
2. Beban lebih (Overload )
Transformator tenaga dapat beroperasi secara terus menerus pada arus beban
nominalnya. Apabila beban yang dilayani lebih besar dari 100%, maka akan terjadi
pembebanan lebih. Hal ini dapat menimbulkan pemanasan yang berlebih. Kondisi ini
14
mungkin tidak akan menimbulkan kerusakan, tetapi apabila berlangsung secara terus
menerus akan memperpendek umur isolasi
3. Gelombang Surja
Gelombang surja dapat terjadi karena cuaca, yaitu petir yang menyambar jaringan
transmisi dan kemudian akan merambat ke gardu terdekat dimana transformator tenaga
terpasang. Walaupun hanya terjadi dalam kurun waktu sangat singkat (beberapa puluh
mikrodetik), akan tetapi karena tegangan puncak yang dimiliki cukup tinggi dan energi
yang dikandungnya besar, maka ini dapat menyebabkan kerusakan pada transformator
tenaga. Bentuk gelombang dari petir yang dicatat dengan sebuah asilograf sinar katoda
(berupa tegangan sebagai fungsi waktu).
Disamping dapat menyebabkan kerusakan pada peralatan, gangguan tersebut dapat
juga membahayakan manusia atau operator yang ada disekitarnya. Akibat-akibat yang
terjadi pada manusia atau operator adalah seperti terkejut, pingsan bahkan sampai
meninggal .
3.8 Pemeliharaan Transformator Daya
Pemeliharaan peralatan listrik tegangan tinggi adalah serangkaian tindakan atau proses
kegiatan untuk mempertahankan kondisi dan menyakinkan bahwa peralatan dapat berfungsi
sebagaimana mestinya sehingga dapat dicegah terjadinya gangguan yang menyebabkan
kerusakan. Tujuan utama pemeliharaan peralatan listrik teganan tinggi adalah untuk menjamin
kontinuitas penyaluran tenaga listrik dan menjamin keandalan, adalah :
▪
▪
▪
▪
▪
Untuk meningkatkan availability, efficiency dan realibility.
Untuk memperpanjang umur peralatan.
Mengurangi resiko terjadinya kegagalan atau kerusakan peralatan.
Meningkatkan tingkat keamanan pada peralatan.
Mengurangi lama waktu padam akibat sering gangguan.
1. Pemeriksaan on-line
• Pengukuran beban setiap fasa, kriteria: I fasa < I nominal fasa trafo.
• Ketidakseimbangan beban, kriteria : maksimum 25 %.
• Temperatur terminal dengan infra red camera
• Pemeriksaan visual :
a. Pemeriksaan level minyak
b. Pemeriksaan kondisi tangki dari kebocoran atau akibat dari benturan.
c. Pemeriksaan kondisi baut – baut pengikat di bushing.
d. Pemeriksaan kondisi bushing primer atau sekunder.
e. Pemeriksaan valve tekanan udara
f. Pemeriksaan thermometer.
g. Pemeriksaan kondisi tap changer/sadapan.
15
• Pemeriksaan visual kondisi busing :
- Kebersihan permukaan
- Kondisi koneksi lead wire pada terminal busing
- Pemeriksaan keretakan
- Pastikan bahwa busing TM dan khususnya busing TR tidak menerima stress
mekanikal oleh kabel keluarannya.
- Pastikan tidak terjadi kebocoran minyak, khususnya pada seal busing.
2. Pemeriksaan off-line
• Pengukuran tahanan belitan
• Pengukuran rasio kumparan (perbandingan tegangan)
• Pengukuran tegangan tembus minyak.
• Pengukuran kondisi minyak (DGA, water content, keasaman, Furan)
• Pengukuran tahanan insulasi.
16