BAB II LANDASAN TEORI
advertisement
BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Gardu Distribusi Pengertian Umum Gardu Distribusi tenaga listrik adalah suatu bangunan gardu listrik berisi atau terdiri dari instalasi Perlengkapan Hubung Bagi Tegangan Menengah (PHB-TM), Transformator Distribusi (TD) dan Perlengkapan Hubung Bagi Tegangan Rendah (PHB-TR) untuk memasok kebutuhan tenaga listrik bagi para pelanggan baik dengan Tegangan Menengah (TM 20 kV) maupun Tegangan Rendah (TR 220/380V). Konstruksi Gardu distribusi dirancang berdasarkan optimalisasi biaya terhadap maksud dan tujuan penggunaannya yang kadang kala harus disesuaikan dengan peraturan Pemda setempat. Fungsi Dari Gardu Distribusi adalah : a. Tempat pengumpul, pembagi dan penyalur energi listrik b. Tempat untuk pengubah tegangan sebelum disalurkan ke konsumen Secara Garis Besar Gardu Distribusi dibedakan atas : a. Jenis Pemasangannya 1. Gardu Pasangan Luar : Gardu Portal, Gardu Cantol 2. Gardu Pasangan Dalam : Gardu Beton, Gardu Kios b. Jenis Konstruksinya 1. Gardu Beton : Bangunan Sipil 2. Gardu Tiang : Gardu Portal, Gardu Cantol 3. Gardu Kios c. Jenis Penggunaannya 7 http://digilib.mercubuana.ac.id/ 8 1. Gardu Pelanggan Umum 2. Gardu Pelanggan Khusus 2.1.1 Gardu Beton Gardu Beton adalah sebuah gardu yang seluruh komponen utama instalasi yaitu transformator dan peralatan switching/proteksi, terangkai didalam bangunan sipil yang dirancang, dibangun dan difungsikan dengan konstruksi pasangan batu dan beton (masonrywall building). Konstruksi ini dimaksudkan untuk pemenuhan persyaratan terbaik bagi keselamatan ketenagalistrikan. 2.2. Transformator Transformator merupakan peralatan mesin listrik statis yang bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik, yang dapat mentransformasikan energi listrik dari tegangan tinggi ke tegangan rendah ataupun sebaliknya, dimana perbandingan tegangan antara sisi primer dan sisi sekunder berbanding lurus dengan perbandingan jumlah lilitan dan berbanding terbalik dengan perbandingan arusnya dengan nilai frekuensi yang sama besar. Pada sistem distribusi, transformator digunakan untuk menurunkan tegangan penyaluran 20 kV ke tegangan pelayanan 400 / 231 V. Pada fungsi tersebut, transformator dapat berupa transformator satu fase (Gambar 2.1) yang secara umum memiliki kapasitas ≤ 160 kVA dengan hubungan vektor Yzn5, sedangkan tiga fase (Gambar 2.2) memiliki kapasitas > 160 KVA memiliki hubungan vektor Dyn5 (berdasarkan SPLN 50 tahun 1982 dan 1997, serta SPLN D3.002-1 : 2007). http://digilib.mercubuana.ac.id/ 9 Gambar 2.1 Trafo satu fase 2.2.1 Gambar 2.2 Trafo tiga fase Jenis Transformator Secara umum, terdapat dua jenis transformator distribusi yang banyak digunakan pada jaringan distribusi yaitu : a. Transformator Konvensional Transformator konvensional dilengkapi dengan konservator yaitu sebuah tabung atau tangki yang letaknya diatas body transformator, yang berfungsi untuk menampung pemuaian minyak saat transformator berbeban. Tekanan lebih yang timbul selama beban tinggi akan mengalir ke atmosfer luar. Bila beban transformator meningkat, temperatur belitan transformator akan naik sehingga volume minyak akan membesar. Semakin tinggi temperatur belitan, minyak akan semakin panas dan volume minyak juga semakin besar. Kenaikan volume ini ditampung oleh konservator, dan didalam konservator minyak akan mendorong udara keluar melalui lubang pernapasan, dan sebaliknya. Proses aliran tersebut disebut dengan open systematau freely breathing dalam menangani fluaktansi beban yang apabila terjadi peningkatan kadar air didalam minyak akan berakibat menurunkan ketahanan tegangan transformator. http://digilib.mercubuana.ac.id/ 10 Udara lembab dari atmosfer luar yang masuk ke dalam tangki selama proses pernapasan tersebut berpotensi mempengaruhi kekuatan dielektrik transformator. Untuk menghindari hal ini, udara yang mengalir ke dalam tangki disaring dengan desiccants yang merupakan jenis bahan kimia yang dapat menyerap air. Jenis desiccants yang umum digunakan adalah silika gel yang berfungsi untuk mengeringkan atau menyaring udara lembab yang masuk kedalam lubang pernapasan yang merupakan faktor penentu dalam menjaga kualitas sistem dielektrik. Gambar 2.3 Konservator dan Silika Gel Silika gel yang telah jenuh dapat direaktivasi dengan cara pemanasan pada suhu 105 oC - 130 oC selama 4 - 6 jam untuk menurunkan kadar air ke tingkat ≤ 2% berat dan kembali ke warna awalnya. Gangguan sistem adalah gangguan yang terjadi di sistem tenaga listrik seperti pada generator, trafo, SUTT, SKTT dan lain sebagainya. Bila tegangan tembus minyak telah berada dibawah ambang batas minimal, minyak perlu dipelihara (purifying) untuk menurunkan kadar air dan membuang partikel fisika lainnya, salah satu upaya yang dilakukan untuk memutus hubungan antara medium pendingin internal dengan http://digilib.mercubuana.ac.id/ 11 atmosfer luar adalah dengan penerapan penggunaan bladder berupa balon karet (rubber bag) yang dipasang pada konservator, sehingga kontak minyak dengan atmosfer luar akan terpisahkan. Namun bladder memiliki keterbatasan yakni dalam segi umur dan tingkat kesulitan sewaktu memeriksa kondisi bladder karena posisinya berada di dalam tangki konservator. Bladder Udara Tabung Silika gel Minyak Tangki Konservator Gambar 2.4 Conservator Bladde b. Transformator Hermatical Pada sistem ini konservator dan sistem pipa untuk hubungan dengan atmosfer luar tidak digunakan lagi. Untuk mengamankan pemuaian maupun penyusutan minyak, tangki dibuat fleksibel (hermetic), dimana kenaikan volume minyak akan ditampung oleh sirip yang dapat mengembang yang mampu menampung semua pemuaian minyak. Lubang pernapasan sengaja ditiadakan agar minyak tidak bersentuhan dengan udara. Terdapat dua jenis sistem hermetical pada transformator distribusi, yaitu : a) Hermetically Sealed Inert Gas Cushion Sistem hermetical jenis ini umumnya digunakan pada bentuk tangki rigid dengan menerapkan bantalan gas (nitrogen) pada ruang diatas level minyak. Volume untuk ruang gas diperhitungkan agar mampu menampung ekspansi minyak yang terjadi pada saat beban maksimum. Minyak dan gas berperan bersama - sama dalam membentuk tekanan tangki. http://digilib.mercubuana.ac.id/ 12 Gambar 2.5 Transformator hermatically sealed inert gas cushion Busing dan pengubah sadapan yang direkomendasikan untuk menggunakan desain wall mounted (terpasang pada dinding tangki), hal ini untuk menghindari bagian bawah komponen - komponen tersebut tidak terendam minyak. b) Hermetically Sealed Fully Filled Sistem hermetical ini adalah dengan mengisi seluruh ruang di dalam tangki dengan minyak. Sistem ini diterapkan pada tangki yang dikonstruksi dengan sirip pendingin dari pelat yang fleksibel (corrugated), yang dapat membuat volume tangki bersifat variable, membesar saat beban tinggi dan kembali mengecil pada beban yang lebih rendah. Gambar 2.6 Transformator hermetically sealed fully filled http://digilib.mercubuana.ac.id/ 13 2.2.2 Fungsi Transformator Pada dasarnya transformator memiliki prinsip kerja yang sama. Transformator dapat dibagi menjadi beberapa macam, tergantung dari fungsi dan lokasinya, sebagai berikut : a. Berdasarkan Fungsi Pemakaian a) Transformator Daya Transformator daya digunakan sebagai penyuplai daya. Terdapat dua jenis fungsi transformator ini berdasarkan sistem penyaluran tenaga listrik, yaitu: a. Transformator step-up merupakan transformator yang memiliki lilitan sekunder lebih banyak daripada lilitan primer sehingga berfungsi sebagai penaik tegangan pada saat pengiriman/penyaluran daya. b. Transformator step-down merupakan transformator yang memiliki lilitan sekunder lebih sedikit daripada lilitan primer sehingga berfungsi sebagai penurun tegangan pada saat menerima/memerlukan daya. Transformator daya tidak dapat langsung digunakan untuk menyuplai beban, sebab sisi tegangan rendahnya masih lebih tinggi dari tegangan beban, sedangkan sisi tegangan tingginya merupakan tegangan transmisi (dari pembangkit ke gardu induk). Ciri - ciri transformator daya yaitu : Jumlah lilitan primer lebih sedikit daripada jumlah lilitan sekunder Tegangan primer lebih kecil daripada tegangan sekunder Kuat arus primer lebih besar daripada kuat arus sekunder b) Transformator Distribusi Transformator distribusi digunakan untuk membagi/ menyalurkan arus atau energi listrik dengan tegangan distribusi agar jumlah energi yang hilang http://digilib.mercubuana.ac.id/ 14 tidak terlalu banyak (dari gardu induk ke konsumen). Ciri - ciri transformator distribusi yaitu : Jumlah lilitan primer lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder Tegangan primer lebih besar daripada tegangan sekunder Kuat arus primer lebih kecil daripada kuat arus sekunder c) Transformator Pengukuran Transformator ini dugunakan untuk pemasangan alat - alat ukur dan proteksi pada jaringan tegangan tinggi. Transformator pengukuran ini terdiri dari : Transformator arus (Current Transformator) berfungsi untuk menurunkan besarnya arus listrik pada tegangan tinggi menjadi arus listrik yang kecil dan diperlukan untuk alat ukur dan pengaman. Transformator tegangan (Potensial Transformator) berfungsi untuk menurunkan besarnya tegangan tinggi menjadi tegangan rendah yang diperlukan untuk alat ukur dan pengaman/proteksi. b. Berdasarkan Fungsi Pemakaian a) Pemasangan dalam (Indoor) Transformator hanya dapat dipasang di dalam ruangan yang aman dan terlindung dari kondisi cuaca panas, hujan dan sebagainya. b) Pemasangan luar (Outdoor) Transformator yang dirancang dapat dipasang di luar ruangan, seperti di switch yard dan tiang portal, namun jenis outdoor ini dapat juga dipasang dalam ruangan. http://digilib.mercubuana.ac.id/ 15 c. Berdasarkan Kapasitas dan Tegangan Kerja Untuk mempermudah pengawasan dalam operasi, transformator dapat dibagi menjadi : a) Transformator Besar : Tegangan ≥ 70 kV : Daya ≥ 10 MVA b) Transformator Sedang : Tegangan 30 kV - 70 kV : Daya 1 MVA - 10 MVA c) Transformator Kecil : < 30 kV : Daya < 1MVA 2.3. Konstruksi Transformator Konstruksi transformator distribusi dikelompokkan menjadi beberapa bagian (Gambar 2.7), yaitu : a. Bagian utama/aktif, terdiri dari inti besi, kumparan transformator, minyak transformator, bushing dan tangki konservator. b. Bagian pasif, terdiri dari sistem pendingin, tap changer, alat pernapasan (dehydrating breather) dan alat indikator. c. Sistem insulasi. d. Terminal. e. Proteksi gangguan internal f. Peralatan proteksi, terdiri dari rele bucholz, pengaman tekanan lebih (explosive membrane/bursting plate), rele tekanan lebih (sudden pressure relay), rele pengaman tangki. http://digilib.mercubuana.ac.id/ 16 g. Peralatan tambahan untuk pengaman transformator, terdiri dari rele differensial, rele arus lebih, rele hubung tanah, rele thermis, arrester. Gambar 2.7 Konstruksi transformator : 1. Inti besi 6. Konservator 11. Breather 2. Klem inti besi 7. Fin radiator 12. Pembatas tekanan 3. Belitan sekunder 8. Bushing primer 13. Gelas penduga 4. Belitan primer 9. Bushing sekunder 14. Roda 5. Penyangga belitan 10. Tap changer 15. Kuping pengangkat 2.4. Prinsip Kerja Transformator Transformator adalah suatu alat listrik yang mentransformasikan energi listrik dengan memberikan tegangan bolak - balik pada belitan primer untuk membangkitkan medan magnetik. Garis - garis fluks dari medan magnetik tersebut http://digilib.mercubuana.ac.id/ 17 akan “memotong” konduktor belitan sekunder dan menginduksikan tegangan pada terminalnya. Besar tegangan pada kedua terminal, berbanding lurus terhadap jumlah lilitan masing – masing belitan. Untuk mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi, garis - garis fluks dialirkan melalui inti besi bereluktansi rendah, namun beberapa diantaranya mengalir di luar inti besi (bocor) membentuk impedans bocor (leakage impedance; voltage impedance). Bila belitan sekunder terhubung dengan beban atau pada terminal belitan sekunder terbentuk suatu sirkit tertutup, arus akan mengalir pada konduktor kedua belitan dan sirkit keluaran. Apabila transformator diasumsikan sebagai transformator ideal dimana tidak terjadi rugi-rugi daya pada transformator, daya pada kumparan primer (Np) sama dengan daya pada kumparan sekunder (Ns). Besar tegangan dan arus pada kumparan sekunder diatur menggunakan perbandingan: banyaknya lilitan antara kumparan primer dan kumparan sekunder. Namun kenyataannya pada saat operasi tidak ada transformator yang ideal. Alasannya, pada penyaluran tenaga listrik terjadi kerugian energi sebesar I² R watt.detik. Kerugian ini akan banyak berkurang apabila tegangan dinaikkan. 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 (reluctance) rendah. Apabila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak - balik maka fluks bolak - balik akan muncul di dalam inti yang dilaminasi, karena kumparan tersebut membentuk jaringan tertutup maka mengalirlah arus primer. Akibat adanya fluks di kumparan primer maka di kumparan primer terjadi induksi (self induction) dan terjadi pula induksi di kumparan sekunder karena pengaruh http://digilib.mercubuana.ac.id/ 18 induksi dari kumparan primer atau disebut sebagai induksi bersama (mutual induction). yang menyebabkan timbulnya fluks magnet di kumparan sekunder, maka mengalirlah arus sekunder jika rangkaian sekunder di bebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetisasi), fluks bolak-balik timbul di dalam inti besi yang dihubungkan dengan kumparan yang lain menyebabkan atau menimbulkan gaya gerak listrik (GGL) induksi (sesuai dengan induksi elektromagnet) dari hukum faraday, Bila arus bolak balik mengalir pada induktor, maka akan timbul gaya gerak listrik (GGL). Flux magnet Kumparan ( ) sekunder Kumparan primer Inti besi Gambar 2.8 Rangkaian Magnetik pada Transformator Hukum yang digunakan pada prinsip kerja transformator adalah Hukum Lorentz yang berbunyi “Arus bolak-balik yang mengalir di suatu kumparan yang mengelilingi inti besi menyebabkan inti besi itu berubah menjadi magnet (Gambar 2.9a). Apabila magnet tersebut dikelilingi oleh suatu belitan, kedua ujung belitan tersebut akan terjadi beda tegangan (Gambar 2.9b) sehingga akan timbul gaya gerak listrik”. http://digilib.mercubuana.ac.id/ 19 Gambar 2.9a Gambar 2.9b Gambar 2.9 Proses magnetic Apabila lilitan primer dihubungkan dengan sumber tegangan V1, arus I0 akan mengalir. Arus ini akan menimbulkan flux magnet ( ) yang akan mengalir pada inti besi. Karena tegangan sumber adalah tegangan bolak-balik dan I juga bolak balik. Fluks ini akan mengalir melalui kumparan primer dan sekunder. Jika dibandingkan antara GGL induksi di kumparan primer E1 dengan GGL induksi di kumparan sekunder E2 2.5. Permasalahan Pada Transformator Distribusi Permasalahan pada transformator distribusi yaitu transformator distribusi mempunyai batasan - batasan dalam operasinya. Selain itu, transformator tersebut juga dapat mengalami gangguan hubung singkat baik didalam maupun diluar transformator. Namun gangguan yang perlu lebih diperhatikan adalah apabila terjadi kenaikan suhu pada transformator tersebut akibat dari beban lebih. Gangguan hubung singkat terjadi antar kumparan yang diakibatkan rusaknya isolasi. Kemungkinan rusaknya isolasi yaitu akibat tuanya umur isolasi http://digilib.mercubuana.ac.id/ 20 tersebut. Oleh karena itu, transformator didalam operasinya harus diperhatikan kenaikan suhu akibat berbeban lebih. Transformator didalam operasinya dilengkapi pula dengan peralatan proteksi. Peralatan proteksi merupakan peralatan yang mengamankan transformator terhadap bahaya fisis, elektris maupun kimiawi. Yang termasuk peralatan proteksi transformator antara lain sebagai berikut : a. Rele Bucholz berfungsi untuk mendeteksi dan mengamankan terhadap gangguan di dalam transformator yang menimbulkan gas. Didalam transformator, gas mungkin dapat timbul akibat hubung singkat antar lilitan (dalam phasa/ antar phasa), hubung singkat antar phasa ke tanah, busur listrik antar laminasi, atau busur listrik yang ditimbulkan karena terjadinya kontak yang kurang baik. b. Rele tekanan lebih berfungsi untuk mendeteksi gangguan pada transformator bila terjadi kenaikan tekanan gas secara tiba - tiba dan secara langsung mentripkan CB pada sisi upstream-nya. c. Rele diferensial berfungsi untuk mendeteksi terhadap gangguan transformator apabila terjadi flash over antara kumparan dengan kumparan, kumparan dengan tangki atau belitan dengan belitan di dalam kumparan ataupun antar kumparan. d. Rele beban lebih berfungsi untuk mengamankan transformator terhadap beban yang berlebihan dengan menggunakan sirkit simulator yang dapat mendeteksi lilitan transformator yang kemudian apabila terjadi gangguan akan membunyikan alarm pada tahap pertama dan kemudian akan menjatuhkan PMT. http://digilib.mercubuana.ac.id/ 21 e. Rele arus lebih berfungsi untuk mengamankan transformator terhadap gangguan hubung singkat antar fasa didalam maupun diluar daerah pengaman transformator, juga diharapkan rele ini mempunyai sifat komplementer dengan rele beban lebih. Rele ini juga berfungsi sebagai cadangan bagi pengaman instalasi lainnya. Arus berlebih dapat terjadi karena beban lebih atau gangguan hubung singkat. f. Rele fluks lebih berfungsi untuk mengamankan transformator dengan mendeteksi besaran fluksi atau perbandingan tegangan dan frekwensi. g. Rele tangki tanah berfungsi untuk mengamankan transformator bila terjadi hubung singkat antara bagian yang bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan pada transformator. h. Rele gangguan tanah terbatas berfungsi untuk mengamankan transformator terhadap gangguan tanah didalam daerah pengaman transformator khususnya untuk gangguan didekat titik netral yang tidak dapat dirasakan oleh rele diferential. i. Rele termis berfungsi untuk mengamankan transformator dari kerusakan isolasi kumparan, akibat adanya panas lebih yang ditimbulkan oleh arus lebih. Besaran yang diukur didalam rele ini adalah kenaikan temperatur. j. Fire Protection k. Peralatan pernapasan (dehydrating breather) yaitu ventilasi udara yang berupa saringan silika gel yang akan menyerap uap air pada transformator. l. Indikator untuk mengawasi selama transformator beroperasi, maka perlu adanya indikator pada transformator yang antara lain : indikator kedudukan tap http://digilib.mercubuana.ac.id/ 22 indikator permukaan minyak indikator sistem pendingin indikator suhu minyak Kegagalan suatu transformator biasanya diakibatkan oleh keburukan dari sistem isolasinya yang menyebabkan banyaknya efek panas yang terjadi di dalam transformator. Oleh sebab itu, perlu diketahui atau dipilih kelas isolasi yang sesuai dengan standar yang berlaku. Secara umum isolasi pada transformator dibagi menjadi dua bagian, yaitu isolasi padat dan cair. Isolasi itu sendiri merupakan suatu sifat bahan yang mampu untuk memisahkan dua buah penghantar atau lebih yang berdekatan, baik secara elektrik (mencegah kebocoran arus yang terjadi), maupun sebagai pelindung mekanis (melindungi material, magnetik) dari kerusakan yang diakibatkan oleh pengkaratan, pengoperasian, pengangkutan ketempat pemasangan maupun pada saat pengujian. Ketahanan sistem isolasi dalam peralatan listrik banyak dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti suhu, kekuatan listrik dan mekanik, getaran, kerugian akibat tekanan atmosfir dan kimia, serta debu dan radiasi. Suhu dalam sistem peralatan listrik sering kali mempengaruhi faktor-faktor dalam material isolasi dan sistem isolasi. Adapun kelas-kelas isolasi dan suhu yang berlaku menurut standar IEC 354, serta bahan isolasi yang dipergunakan dapat dilihat pada (Tabel 2.1). http://digilib.mercubuana.ac.id/ 23 Tabel 2.1 Kelas-kelas isolasi dan suhu yang diijinkan No Kelas Temperatur Bahan Isolasi Isolasi Maksimum 1 Y 90°C Unimpregnated cellulose, katun, sutera. 2 A 105°C Impregnated cellulose, katun atau sutera, kertas minyak 3 E 120°C Cellulose triacetate 4 B 130°C Mika, fiber glass, asbes berlapis organik. 5 F 155°C Sama dengan kelas E dengan lapisan yang cukup 6 H 180°C Sama dengan kelas E dengan lapisan silicon 7 200 200°C Sama dengan kelas H 8 220 220°C Mika, porselen, glas-kwarsa dan sejenis material inorganik 9 250 250°C Sama dengan kelas 220 http://digilib.mercubuana.ac.id/ 2.6. Sistem Pendingin Transformator 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 transformator. Untuk mengurangi adanya kenaikan suhu yang berlebihan tersebut, pada transformator perlu juga dilengkapi dengan sistem pendingin yang berfungsi untuk menyalurkan panas keluar transformator. Media yang digunakan pada sistem pendingin dapat berupa udara dan minyak. Sistem pendingin transformator dapat dikelompokkan sebagai berikut : ONAN (Oil Natural Air Natural) ialah pendinginan minyak pada kumparan transformator dan udara sebagai pendingin luar, dimana keduanya bersirkulasi secara alami. Jenis ini biasa digunakan untuk transformator dengan kapasitas kecil. ONAF (Oil Natural Air Force) ialah pendinginan minyak yang bersirkulasi secara alami dan udara yang bersirkulasi secara paksa yakni menggunakan hembusan kipas angin yang digerakkan oleh motor listrik. Pada umumnya operasi transformator dimulai dengan ONAN atau dengan ONAF tetapi hanya sebagian kipas angin yang berputar. Apabila suhu transformator meningkat, kipas angin lainnya akan berputar secara bertahap. OFAF (Oil Force Air Force) ialah minyak dipompakan dari tangki utama secara paksa melewati udara yang dipaksakan. 7 http://digilib.mercubuana.ac.id/ 25 Pada sistem pendingin ini, minyak berfungsi sebagai pendingin kumparan transformator yang bersirkulasi secara paksa dan dengan udara sebagai pendingin luar transformator yang bersirkulasi secara paksa. OFWF (Oil Force Water Force) ialah minyak dipompakan dari tangki utama melewati air pendingin. Pada sistem pendingin ini, minyak sebagai pendingin kumparan transformator yang bersirkulasi secara paksa dan dengan air sebagai pendingin luar transformator yang bersirkulasi secara paksa. Berikut ini merupakan (Tabel 2.2) berisikan klasifikasi tipe pendingin transformator. Tabel 2.2 Tipe Pendingin Transformator Media Macam Di dalam Transformator No Di luar Transformator Sistem Sirkulasi Sirkulasi Sirkulasi Sirkulasi Alami Paksa Alami Paksa Pendingin 1 AN - - Udara - 2 AF - - - Udara 3 ONAN Minyak - Udara - 4 ONAF Minyak - - Udara 5 OFAN - Minyak Udara - 6 OFAF - Minyak - Udara 7 OFWF - Minyak - Air http://digilib.mercubuana.ac.id/ 26 8 ONAN/ONAF Kombinasi 3 dan 4 9 ONAN/OFAN Kombinasi 3 dan 5 10 ONAN/OFAF Kombinasi 3 dan 6 11 ONAN/OFWF Kombinasi 3 dan 7 Keterangan : A = Air (udara) O = Oil (minyak) N = Natural (alamiah) F = Forced (paksa/tekanan) Pemeran utama di bagian internal adalah minyak isolasi. Kemampuan minyak untuk fungsi ini dipengaruhi oleh kualitas heat transfernya dan bagaimana minyak dapat secara efektif mengalir (membasuh) pada setiap celah dari susunan belitan. Pada bagian eksternal pemeran utamanya adalah suhu dan aliran udara di sekitar transformator serta luas permukaan sirip - sirip pendingin. Luas permukaan dan sirip - sirip pendingin yang akan berinteraksi dengan udara luar merupakan faktor yang menentukan efektifitas pendinginan. Untuk hal tersebut, jumlah dan ukuran sirip pendingin di desain sedemikian, sehingga mampu mendisipasi suhu yang timbul saat transformator dioperasikan. Luas permukaan sirip pendingin akan menentukan kualitas pendinginan. Untuk transformator dengan kelas suhu A, seperti halnya kebanyakan transformator distribusi, desain ketahanan termal ditentukan pada suhu ruang maksimum 40 oC. Suhu pada bagian - bagian transformator dibedakan menjadi suhu rata rata dan suhu titik terpanas (hot spot). Suhu panas pada bagian selain belitan dapat http://digilib.mercubuana.ac.id/ 27 terjadi pada bagian konstruksi klem inti besi yang dibuat dari bahan logam magnetik dan bagian tutup tangki di sekitar busing. Untuk mengurangi pengaruh arus eddy, pada sebagian bidang pelat tutup tangki diganti dengan bahan logam non magnetik. 2.6.1. Pendingin Transformator Minyak transformator berfungsi sebagai media pendingin dan isolasi, yang mempunyai sifat media pemindah panas (disirkulasi) dan mempunyai daya tegangan tembus tinggi. Pada transformator yang berkapasitas besar, kumparan - kumparan dan inti besi transformator direndam dalam minyak transformator. Syarat suatu cairan bias dijadikan sebagai minyak transformator adalah sebagai berikut : 1. Ketahanan isolasi harus tinggi ( >10kV/mm ). 2. Berat jenis harus kecil, sehingga partakel - partikel inert di dalam minyak dapat mengendap dengan cepat. 3. Viskositas yang rendah agar lebih mudah bersirkulasi dan kemampuan pendinginan menjadi lebih baik. 4. Titik nyala yang tinggi, tidak mudah menguap yang dapat membahayakan. 5. Tidak merusak bahan isolasi padat. 6. Sifat kimia yang stabil. Minyak transformator adalah minyak berbasis mineral yang digunakan karena keunggulan sifat kimia dan kekuatan dielektrik. Kualitas minyak akan http://digilib.mercubuana.ac.id/ 28 mempengaruhi sifat insulasi dan pendingin. Karakteristik minyak transformator dapat dilihat pada (Tabel 2.3) berikut. Tabel 2.3 Karakteristik minyak transformator berdasarkan IEC 60422:2005 No. Parameter Baik Cukup Buruk - Gelap 1 Warna dan penampakan Clear 2 Tegangan tembus [kV/2,5 mm] > 40 30 - 40 < 30 3 Kadar air pada 20°C [mg/kg] < 10 10 - 25 > 25 4 Keasaman [mgKOH/g] < 0,15 0,15 - 0,30 > 0,30 5 Tan δ pada 90 oC < 0,1 0,1 – 0,5 0,5 6 Tahanan jenis pada 90 oC [GΩ.m] >3 0,2 - 3 7 Sedimen [% berat] 8 Tegangan antar muka [mN/m] 9 < 0,2 < 0,02 > 28 o Titik nyala [ C] 22 - 28 < 22 Maks penurunan 13°C Sepanjang waktu pengoperasian transformator, kualitas minyak akan terdegradasi, sehingga potensi gangguan pada transformator akan meningkat. Kelembaban, sedimen dan partikel konduktif merupakan faktor yang cenderung mereduksi kuat dielektrik minyak. Oksidasi adalah asam (acid) yang terbentuk dari minyak yang terjadi bila kontak dengan udara. Keasaman akan membentuk sludge yang mendiami http://digilib.mercubuana.ac.id/ 29 belitan transformator mereduksi disipasi panas. Belitan akan lebih panas dengan semakin besarnya sludge, sehingga transformator lebih panas. Kadar keasaman tinggi dan peningkatan suhu akan mengakselerasi pemburukan kualitas minyak. Kontaminasi yang terdapat pada minyak transformator umumnya mengandung air dan partikel. Keberadaan salah satu dari kontaminan akan mereduksi kualitas insulasi. Bila tingkat keasaman tinggi perlu kewaspadaan, sludge yang terbentuk oleh keasaman tersebut harus dibersihkan dengan minyak panas untuk menghilangkan sedimen. Pada penggantian minyak sebaiknya dilakukan pada kondisi vakum, jika tangki tidak tahan vakum minyak harus didegasifikasi dan disirkulasi melalui degasifier 3 kali dari volume tangki untuk membantu menghilangkan lembab pada insulasi transformator. Kerusakan disebabkan level uap air yang masuk ke dalam tangki humiditas yang rendah. Dalam proses identifikasi minyak transformator melalui kegiatan pengujian dengan pengambilan sampel minyak, terdapat dua jenis pengujian yaitu : a. DGA (Dissolved Gas Analyst) merupakan suatu analisa secara kualitatif maupun kuantitatif gas terlarut pada minyak isolasi transformator, untuk mengetahui ketidaknormalan yang terjadi pada bagian dalam transformator. Berikut merupakan cara pengambilan sampel minyak transformator untuk diuji DGA (Gambar 2.10) sebagai berikut: http://digilib.mercubuana.ac.id/ 30 Gambar 2.10 Pengambilan sampel minyak untuk uji DGA Dalam pelaksanaannya, tegangan tembus minyak transformator diuji dengan menggunakan alat pengujian yang dinamakan Breakdown Voltage Test (BDV) seperti yang terdapat pada (Gambar 2.11) berikut ini : Gambar 2.11 Alat Penguji Tegangan Tembus Minyak Transformator. b. Keasaman atau angka kenetralan (acidity) dalam minyak transformator menunjukkan adanya kontaminan hasil oksidasi yang bersifat asam yang dapat merusak isolasi kertas. Uji ini sangat dibutuhkan untuk suatu penggantian minyak. Pengujian ini mengacu pada standar IEC 296:1982 dan 296:2003. Cara menguji acidity adalah dengan mencampurkan minyak http://digilib.mercubuana.ac.id/ 31 transformator dengan etanol sebanyak 40% dan Toluen sebanyak 60%. Kemudian dilarutkan kOH sampai minyak transformator berwarna merah, banyaknya kOH yang diperlukan sampai minyak berwarna merah itulah angka kenetralan pada minyak transformator tersebut. Berikut merupakan alat penguji keasaman minyak transformator (Gambar 2.12) sebagai berikut : Gambar 2.12 Alat penguji keasaman minyak transformator 2.7. Umur Transformator 2.7.1 Umur Transformator Distribusi Belitan transformator diinsulasi oleh kertas (craft paper) dan minyak mineral. Kertas berasal dari wood pulp dengan kandungan selulose sekitar 90%. Selulose akan mengalami penuaan (aging), terdegradasi dalam fungsi waktu dengan tingkat laju penuaan yang ditentukan oleh suhu, konsentrasi air dan konsentrasi oksigen. Faktor - faktor ini secara simultan akan memutus ikatan panjang cincin glucose, mereduksi kekuatan mekanikal kertas. http://digilib.mercubuana.ac.id/ 32 Degradasi ini bersifat permanen, sehingga umur kertas insulasi diidentikan dengan umur transformator. Umur transformator merupakan fungsi dari umur sistem insulasinya. Umur insulasi didefinisikan berakhir bila kekuatan mekanikalnya telah menurun hingga 50% kekuatan awal. Pada batas ini transformator masih dapat beroperasi namun rentan terhadap berbagai gangguan, meskipun beberapa transformator dengan sisa kuat tarik lebih rendah dari 50% masih tetap dapat beroperasi. Untuk kelas suhu insulasi, seperti halnya transformator distribusi yang umum digunakan di PLN, penurunan ini dicapai pada 180.000 jam (20,55 tahun) bila transformator dioperasikan pada kapasitas beban penuh secara berkelanjutan. Sistem insulasi didesain untuk beroperasi pada suhu belitan rata - rata 65 oC dan suhu belitan hottest-spot 80 oC di atas suhu ambien rata - rata 30 oC. Dengan kondisi ini, suhu operasi transformator adalah : 65 oC kenaikan suhu rata - rata + 30 oC suhu ambien = 95 oC suhu rata rata belitan 80 oC kenaikan hottest-spot + 30 oC suhu ambien = 110 oC suhu hottestspot Sistem insulasi diatas menggunakan material thermal upgraded paper yang merupakan hasil improvement dari material generasi sebelumnya yang mempunyai suhu operasi lebih rendah, yaitu : 55 oC kenaikan suhu rata - rata + 30 oC suhu ambien = 85 oC suhu rata rata belitan http://digilib.mercubuana.ac.id/ 33 65 oC kenaikan hottest-spot + 30 oC suhu ambien = 95 oC suhu hottestspot Secara operasional, umur transformator akan ditentukan oleh suhu pada konduktor belitannya yang disebabkan oleh pembebanan paada transformator tersebut. Suhu yang melebihi batas kemampuannya akan mempercepat umur transformator dan sebaliknya. Kurva umur operasi vs suhu belitan dapat dilihat pada (Gambar 2.13) berikut. Gambar 2.13 Kurva Umur Transformator vs Suhu Belitan Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa untuk variasi suhu 7 oC dari batas suhu operasi akan terjadi faktor kelipatan dua. Pada suhu 117 oC, umur transformator akan berkurang setengahnya akibat penuaan progresif oleh suhu tinggi terhadap sistem insulasi, sedangkan pada suhu belitan 107 oC umur akan lebih panjang dua kalinya. Pembebanan yang berlebihan pada transformator (overload), akan mengakibatkan panas berlebih yang mana akan mempercepat proses oksidasi pada minyak. Hasil oksidasi inilah sebagai pemicu pengikisan unsur logam hingga pada akhirnya penurunan kemampuan isolasi yang berujung pada kerusakan transformator. Selain itu pula, dengan adanya thermal http://digilib.mercubuana.ac.id/ 34 stress yang sangat tinggi tersebut akan merusak kertas isolasi pada transformator itu sendiri. (Gambar 2.14) berikut ini merupakan contoh figur kerusakan isolasi transformator (craft paper) pada suhu 150 oC yang terendam dalam minyak transformator sehingga menimbulkan penurunan kualitas yang sangat signifikan, yaitu dalam waktu kurang dari 6 bulan, dengan variasi waktu pada figur penuaan kertas isolasi transformator Gambar (2.14) sebagai berikut : Gambar 2.14 Figur penuaan kertas isolasi transformator 2.7.2 Faktor Yang Mempercepat Penuaan Selain suhu tinggi, penuaan pada sistem insulasi dapat dipercepat oleh kelembaban dan oksidasi. Suhu tinggi, air dan oksigen, secara simultan akan membentuk siklus berantai melalui tiga proses, oksidasi (pada minyak dan material selulose), hidrolisis dan pirolisis yang akan mempercepat kerusakan sistem insulasi. Pada tingkat suhu beban normal, oksidasi dan lembab cenderung lebih berperan dalam merusak sistem insulasi. Hasil dari siklus ini adalah peningkatan kadar keasaman (acidity) pada minyak. Berikut merupakan proses oksidasi, hidrolisis, pirolisis (Gambar. 2.15). http://digilib.mercubuana.ac.id/ 35 Gambar 2.15 Proses oksidasi, hidrolisis dan pirolisis Kadar keasaman mempunyai korelasi terhadap pembentukan sludge, yang keberadaannya akan merusak kemampuan heat transfer minyak. Asam akan membentuk sludge yang menetap pada belitan transformator, menghasilkan berkurangnya kemampuan minyak dalam mendisipasi panas. Suhu operasi belitan yang menjadi lebih panas akan membentuk lebih banyak sludge dan menimbulkan lebih panas lagi. Kadar asam yang semakin tinggi dan peningkatan suhu operasi belitan akan mempercepat pemburukan kualitas insulasi minyak. Penelitian telah membuktikan bahwa kertas yang mengandung kadar air 2% akan mengalami penuaan tiga kali lebih cepat daripada yang berkadar http://digilib.mercubuana.ac.id/ 36 air 1% dan pada kadar air 3% kecepatan penuaan akan mencapai 30 kali lebih cepat. Tabel 2.4 Kondisi Transformator Kondisi 1 Kondisi baik. Bila salah satu gas nilainya melebihi batasan level harus diinvestigasi Kondisi 2 Komposisi gas sudah melebihi batas normal. Bila salah satu gas nilainya melebihi batasan level harus diinvestigasi dengan cepat. Lakukan tindakan untuk mendapatkan trend. Gangguan mungkin hadir. Kondisi 3 Pemburukan tingkat tinggi. Bila salah satu gas nilainya melebihi batasan level harus diinvestigasi dengan cepat. Lakukan tindakan untuk mendapatkan trend. Gangguan kemungkinan bisa hadir Kondisi 4 Pemburukan yang sangat tinggi. Melanjutkan operasi transformator dapat mengarah pada kerusakan transformator 2.7.3 Thermal Ageing Kekuatan isoalsi dan umur ekonomis dari transformator pada dasarnya dipengaruhi oleh kekuatan mekanis dari isolasi pada proses normal ageing. Pada keadaan pembebanan yang normal, secara teoritis umur dari isolasi trafo terhadap tekanan mekanis dapat mencapai 1000 tahun. Akan http://digilib.mercubuana.ac.id/ 37 tetapi pada kenyataannya umur trafo dilapangan hanya sekitar 20 tahun, bahkan banyak trafo yang mengalami kerusakan sebelum umur 20 tahun, hal ini disebabkan karena proses degradasi pada aksesoris trafo yang antara lain terjadi pada tank, bushings, katup, dan lain sebagainya. Proses degradasi ini disebabkan karena proses thermal ageing, dimana suhu yang terlampau tinggi dapat menyebabkan isolasi kertas pada trafo mengalami proses degradasi termal, sehingga pada saat terjadi gangguan (through fault) isolasi kertas akan kehilangan kekuatan menahan tekanan mekanis yang menyebabkan belitan mengalami pergeseran. Hal inilah yang menyebabkan kekuatan dielektris mengalami laju penurunan dengan cepat. Beberapa pernyataan mengenai proses thermal ageing diantaranya adalah: a. Pada temperatur hot spot antara (80-140)0 C, maka setiap kenaikan 60 C, umur trafo akan berkurang setengahnya (IEC Publication 354 1972- Loading Guide for Oil-Immersed Transformer, CIGRE Transformer Working Group-1961). b. Proses ageing pada selulosa merupakan proses kimia, dimana panas, air dan oksigen adalah katalis (zat yang mempercepat reaksi). c. Selain menyebabkan efek thermal ageing, suhu yang tinggi juga dapat menyebabkan tekanan yang tinggi pada internal tank, sehingga dapat memacu pecahnya tank/kendornya baut pada bodi trafo sehingga menyebabkan kebocoran minyak trafo. http://digilib.mercubuana.ac.id/ 38 d. Temperatur yang tinggi pada hot spot dapat menyebabkan timbulnya gelembung-gelembung bebas yang menyebabkan turunnya kekuatan dielektrik minyak trafo 2.7.4 Pengertian Hot Spot Temperature Merupakan titik pada kumparan transformator yang memiliki suhu terpanas yang mana titik terpanas ini selalu mendapatkan perhatian yang paling besar dibandingkan bagian lainnya, karena pada titik ini merupakan tempat terjadinya degradasi termal. Hot spot temperature dipengaruhi oleh beberapa hal diantaranya adalah : Kenaikan suhu minyak (b): berdasarkan SPLN D3 002-1 2007 bahwa kenaikan suhu maksimal minyak adalah 500 C Kenaikan suhu belitan (c): berdasarkan SPLN D3 002-1 2007 bahwa kenaikan suhu maksimal belitan adalah 550 C Suhu minyak rata-rata (br) Suhu minyak rata-rata** = (0,8 x kenaikan maksimal suhu minyak) **(IEC Standard 60076-2 1993) Suhu temperatur sekitar /ambient (a): secara desain transformator dirancang pada suhu operasi sekitar 300 C, dan temperatur sekitar (ambient) tidak boleh melebihi 400 C (SPLN D3 002-1 2007). http://digilib.mercubuana.ac.id/ 39 Hot spot temperature menurut SPLN D3-002-1 2007 dan IEC Publication 76-1967 (Loading Guide for Oil-Immersed Transformer) ditetapkan bahwa suhu titik panas adalah sebesar 980 C. Dimana berlaku persamaan : c a b w0 ………………………………(2.1) Keterangan: c hot spot temperature a suhu lingkungan sekitar (ambient ) b kenaikan suhu maksimal min yak w0 perbedaan antara suhu maksimal beli tan dan suhu rata rata miyak Sehingga dari persamaan tersebut maka hot spot temperature dapat ditentukan: c 30 50 (55 0,8 X 50) X 1.1 98 0 C Terlihat bahwa dari hasil perhitungan hot spot temperature sesuai dengan stándar yang ditentukan oleh SPLN D3 002-1 2007 dan IEC Publication 76-1967 yaitu sebesar 980 C. 2.7.5 Asumsi Diagram Thermal Kenaikan temperatur dapat diasumsikan dengan diagram termal sederhana seperti ditunjukkan gambar 2.16. Gambar ini dapat dipahami karena merupakan diagram penyederhanaan dari distribusi yang lebih rumit. Kenaikan temperatur top oil yang diukur selama pengujian kenaikkan temperatur berbeda dengan minyak yang meninggalkan kumparan. Minyak pada top oil adalah campuran sebagian dari minyak http://digilib.mercubuana.ac.id/ 40 yang bersirkukasi pada sepanjang kumparan. Tetapi perbedaan ini tidak dipertimbangkan dengan cukup signifikan untuk memvalidasi metode. Metode ini disederhanakan sebagai asumsi yang telah dibuat sebagai berikut: 1. Temperatur minyak bertambah secara linear sesuai kumparan 2. Kenaikkan temperatur rata-rata minyak adalah sama untuk semua kumparan dari kolom yang sama. 3. Perbedaan temperatur antara minyak pada puncak kumparan (asumsinya sepadan dengan yang di puncak) dan minyak yang berada di dasar kumparan (asumsinya sepadan sepadan dengan yang di pendingin) adalah sama untuk semua bagian kumparan. 4. Kenaikkan temperatur rata-rata dari tembaga pada setiap posisi diatas kumparan meningkat secara linear sejalan kenaikkan temperatur minyak yang mempunyai selisih kostan wo antara dua garis lurus (wo adalah selisih antara kenaikkan temperatur rata-rata tahanan dan kenaikkan temperatur ratarata minyak). 5. Kenaikkan temperatur rata-rata puncak kumparan adalah kenaikkan temperatur rata-rata minyak ditambah wo 6. Kenaikkan temperatur hot spot adalah lebih tinggi dibanding kenaikkan temperatur rata-rata puncak kumparan. Untuk menghitung perbedaan antara kedua kenaikkan temperatur ini, nilai wo diasumsikan 0,1 untuk sirkulasi minyak secara http://digilib.mercubuana.ac.id/ 41 alami. Sehingga kenaikkan temperatur hot spot adalah sepadan dengan kenaikkan temperatur top oil ditambah 1.1 wo Gambar 2.16 Diagram Thermal transformator (standar IEC 354-1972 Loading Guide for Oil- Immersed Transformer) 2.7.6 Nilai Relatif dari Umur Pemakaian Hubungan Montsinger sekarang telah dapat digunakan untuk menentukan nilai relatif dari umur pemakaian pada temperatur hot spot (c) dibandingkan umur pemakaian pada temperatur hot spot normal (cr). Berdasarkan hubungan Montsinger yang dijadikan sebagai standar publikasi IEC 354-1972 dan CIGRE Transformer Working Group, bahwa setiap kenaikan 60 C , maka umur ekonomis trafo berkurang mnejadi setengahnya (berlaku untuk hot spot temperature 800 C-1400 C). Hubungan Montsinger dapat dirumuskan sebagai berikut: http://digilib.mercubuana.ac.id/ 42 V Laju thermal ageing pada temperatur c ……………………..(2.2) Laju thermal ageing pada temperatur cr V 2 (c cr ) / 6 e 0.693 (c cr ) ........................................................ (2.3) Dengan memasukkan nilai cr sebesar 980 C kedalam persamaan V.2, maka diperoleh persamaan laju pemakain relatif dalam bentuk logaritmis yaitu: V 10 ( c 98) / 19.93 ......................................................................... (2.4) Keterangan: c : temperatur hot spot riil (sesuai kondisi pemakaian di lapangan). cr pada : temperatur hot spot standar, yaitu sebesar 980 C (mengacu standar IEC Publication 76-1967 dan SPLN D3 002-1 2007). Definisi dari umur relatif adalah 1 jam pemakaian pada temperature hot spot cr akan sama dengan x jam pemakaian pada temperature standar c (980 C). Sebagai contoh apabila nilai V=3, pada temperatur hot spot 107,50 C artinya pemakainnya dalam 1 jam akan setara dengan 3 jam pemakaian pada keadaan standar yaitu pada temperatur hot spot 980 C. http://digilib.mercubuana.ac.id/ 7 http://digilib.mercubuana.ac.id/
