Transformator Fasa Satu Persamaan Operasional Transformator Ideal

II.7.1. Transformator Fasa Satu

Dengan mengabaikan rangkaian magnetisasi pada rangkaian ganti transformator, pemodelan transformator dilakukan dengan pengelompokan parameter yang dibutuhkan reaktansi dan induktansi. Gambar 2.11. Model Transformator 1 Fasa II.7.2. Transformator Tiga Fasa Pada prinsipnya transformator tiga fasa sama dengan transformator satu fasa. Perbedaannya adalah seperti perbedaan listrik satu fasa dengan listrik tiga fasa yaitu dengan mengenal sistem bintang Y dan sistem delta ∆ serta sistem zig – zag. Transformator tiga fasa ini dikembangkan dengan alasan ekonomis. Untuk menganalisa trafo daya 3 fasa dilakukan dengan memandang transformator 3 fasa sebagai trafo 1 fasa. Hanya untuk hasil akhir biasanya parameter tertentu arus, Universitas Sumatera Utara tegangan, daya transformator tiga fasa dikaitkan dengan nilai 3 seperti pada persamaan listrik arus bolak – balik. Gambar di bawah ini adalah pemodelan trafo 3 fasa yang dihubungkan bintang Y dan delta ∆. I B I C I N I B I C I BC I AB I CA Gambar 2.12. Model Transformator 3 Fasa terhubung Y dan Delta Universitas Sumatera Utara BAB III ARUS INRUSH, ARUS HUBUNG SINGKAT DAN PENGAMAN TRANSFORMATOR DISTRIBUSI III.1. Umum Pada saat transformator dihubungkan terhadap suatu sumber tegangan energize akan mengalir arus yang cukup besar dengan periode waktu yang sangat singkat sampai tercapai kondisi steady state tunak. Arus awal ini disebut sebagai arus inrush dan besarnya dapat mencapai 8 sampai 30 kali arus nominal. Arus inrush ini perlu mendapat perhatian khusus karena pengaruhnya dapat mengganggu pengoperasian relaypengaman, tergantung keadaan awal saat transformator tersebut dihubungkan dan ketahanan pengaman untuk tidak bekerja sampai waktu tertentu. III.2. Arus Inrush III2.1 Arus Eksitasi Arus eksitasi yang timbul pada transformator dalam keadaan tanpa beban terdiri dari dua komponen, yaitu komponen rugi - rugi dan komponen magnetisasi. Komponen rugi - rugi hanya tergantung terhadap rugi - rugi operasi tanpa beban, sedangkan komponen magnetisasi tergantung terhadap jumlah lilitan primer, bentuk kurva kejenuhan saturasi dan kepadatan fluks maksimum yang diizinkan. III.2.2. Komponen Magnetisasi Persamaan differensial dari tegangan pada rangkaian transformator diturunkan sebagai berikut : Universitas Sumatera Utara dt d N Ri e φ 1 + = ………………………………………. 3.1 Tahanan normal R dan harga arus sesaat I biasanya kecil, dengan sendirinya harga Ri kecil sehingga dalam pembahasan berikut ini harga tersebut diabaikan dan persamaan sekarang adalah : dt d N e φ 1 = ……………………………………….…3.2 jika tegangan yang diberikan merupakan gelombang sinus, maka : 2 − = e E ϕ ω + t sin ………………………………..3.3 maka persamaan 3.2 disubstitusikan dengan persamaan 3.3 sehingga didapat persamaan : 2 − E ϕ ω + t sin = dt d N φ 1 ………………......... 3.4 dari persamaan 3.4 ini sehingga didapatkan harga fluks : t t E N φ ϕ ω ω φ + + = cos 2 1 ………………………….…….3.5 - ϕ ω ω + t N E cos 2 1 : adalah karakteristik fluks dalam inti transformator pada kondisi steady state tunak. - fluks t φ : merupakan fluks transient peralihan yang besarnya tergantung pada kondisi awal inti besi fluks maksimum dan fluks sisa ketika menghubungkan transformator kesumber tegangan energize. Pada kondisi steady state besar komponen fluks t φ ini sama dengan nol. Universitas Sumatera Utara Dari persamaan 3.5 dapat diketahui bahwa fluks normal pada kondisi steady state merupakan gelombang sinus yang terbelakang 90 terhadap gelombang sinus tegangan sumber. Jika didalam rangkaian magnet transformator tidak terjadi kejenuhan, maka arus magnetisasi akan berbanding langsung perubahan fluks, dan akan menghasilkan gelombang sinusoida arus magnetisasi yang sefasa terhadap fluks. Dalam keadaan jenuh arus magnetisasi tidak lagi merupakan gelombang sinusoidal yang murni karena gelombang ini telah dipengaruhi oleh karakteristik kurva B-H dari rangkaian magnetik. Dari Gambar 3.1 terlihat bahwa meskipun fluks adalah gelombang sinus, namun gelombang arus terlihat mengandung komponen harmonik yang merupakan harmonik ketiga. Besarnya arus eksitasi sangat bergantung dari ukuran dan tingkat tegangan pada transformator. Gambar 3.1. Kurva B – H Universitas Sumatera Utara III.2.3. Fenomena Arus Inrush Pada saat transformator dihubungkan terhadap suatu sumber tegangan energize akan mengalir arus yang cukup besar dengan periode waktu yang sangat singkat sampai tercapai kondisi steady state. Arus awal ini disebut sebagai arus inrush dan besarnya dapat mencapai 8 sampai 30 kali arus nominal. Arus inrush ini perlu mendapat perhatian khusus karena pengaruhnya dapat mengganggu pengoperasian pengaman, tergantung keadaan awal saat transformator tersebut dihubungkan. Faktor - faktor yang mempengaruhi besar dan lamanya arus inrush ini antara lain adalah magnitude tegangan suplay saat energize, flux sisa pada inti trafo dan impedansi sumber dan impedansi sistem. Analisa fenomena arus inrush akibat energizing transformator dilakukan dengan memperhitungkan karakteristik fluks pada rangkaian magnet sehingga dari padanya dapat diturunkan besar arus yang mungkin terjadi. Seperti telah dijelaskan pada persamaan 3.5, fluks total pada inti transformator merupakan penjumlahan antara fluks normal pada kondisi steady state dengan komponen fluks transient. Melalui persamaan tersebut diharapkan langsung dapat ditentukan besar fluks transient saat transformator dienergize. Karena komponen E N 1 2 ω dari persamaan 3.5. merupakan harga puncak m φ dari fluks normal pada kondisi tunak steady state, maka persamaan 3.5 tersebut dapat ditulis sebagai persamaan berikut : t t m φ ϕ ω φ φ + + = cos ……..……………………………………3.6 Universitas Sumatera Utara Pada saat t = 0 energize, fluks yang timbul adalah : cos t m φ ϕ φ φ + − = …………………………………………….3.7 sudut ϕ tergantung terhadap harga sesaat tegangan, ketika menghubungkan rangkaian sumber pada transformator energize. Bila dihubungkan pada saat titik gelombang tegangan sama dengan nol, maka sudut ϕ sama dengan nol, sedangkan bila dihubungkan pada saat titik gelombang tegangan maksimum, maka sudut ϕ sama dengan 90 . Dalam kondisi energize dilakukan saat pada inti tidak ada terdapat fluks magnet sisa dan ketika gelombang tegangan berada pada posisi maksimum, maka φ dan cosϕ sama dengan nol dan akibatnya t φ akan juga sama dengan nol. Dalam keadaan seperti ini tidak terjadi transient dan arus inrush tidak timbul. Namun, bila transformator dihubungkan pada saat titik gelombang tegangan sama dengan nol, tanpa magnet sisa, maka : = ϕ , maka m m φ ϕ φ − = − cos φ = 0 dan t φ = m φ , harga t φ disubtitusikan ke persamaan 3.6 diperoleh harga fluks sebesar : t t m φ ω φ φ + = cos ………………………………………3.8 Sedangkan bila penutupan switch terjadi pada saat gelombang tegangan sama dengan nol dan dalam inti terdapat magnet sisa, maka besarnya fluks yang timbul adalah : R φ φ ± = R m t φ φ φ ± = , Universitas Sumatera Utara Harga ini disubstitusikan ke persamaaan 3.8 dan diperoleh harga fluks total sebesar : R m m t φ φ ω φ φ ± + = cos ………………………………….3.9 Gelombang fluks berdasarkan persamaan 3.9 dapat diplot seperti Gambar 3.2. Gambar 3.2. Fluks pada Transformator saat Kondisi Transient Total gelombang fluks terdiri dari gelombang fluks sinusoidal ditambah gelombang fluks dc sehingga menghasilkan dua kali fluks maksimum. Pada gambar tersebut fluks transient diasumsikan tidak mengalami perubahan. Jika losses dipertimbangkan maka fluks transient berkurang sebagai fungsi waktu dan nilai puncak dari total fluks lebih kecil dari yang terlihat pada gambar tersebut. Pada gambar yang sama juga diperlihatkan fenomena yang sama untuk transformator dengan 60 fluks residual dan energize saat tegangan suplay sama dengan nol. Universitas Sumatera Utara III.2.4. Perhitungan Arus Inrush Saat transformator belum dihubungkan, arus exitasi mengalir dari kurva hysteresis ke nol. Sedangkan kerapatan fluks Br ada nilainya dan ini namanya fluks sisa. Dari gambar 3.3 jika transformator beroperasi, arus eksitasi i dan kerapatan fluks mengalir ke kurva titik – titik. Setelah dienergize t=0+ fluks harus ditambahkan terhadap fluks sesaat sebelum dienergize t =0-. Sebab itu kerapatan fluks sebagai ganti dari nilai negatif -Bmp, mulai dari +Br sampai nilai positif Br+2Bmp membawa inti ke titik saturasi. Gambar 3.3. Arus Inrush Maksimum Transformator yang memiliki fluks residual sama dengan nol di energize pada saat tegangan suplay sama dengan nol sehingga fluks yang diperoleh adalah dua kali harga puncak fluks normal. Untuk setiap harga fluks, karakteristik arus dihasilkan dari kurva B-H. Dapat dilihat bahwa meskipun besar fluks maksimum hanya dua kali nilai normalnya, arus melonjak sampai beberapa kali arus eksitasi normal. Universitas Sumatera Utara Nilai arus tersebut akan dicapai akibat tingginya tingkat kejenuhan sudut dari sirkuit magnet transformator yang dipergunakan. Rugi - rugi loss menjadi penting karena losses dalam transformator dapat mengurangi arus inrush maksimum dan menurunkan arus eksitasi sampai pada kondisi normal yang keluar setelah periode waktu tertentu. Rugi - rugi yang dimaksud adalah akibat resistansi rangkaian suplay dan resistansi rugi - rugi inti transformator. Gambar 3.4 merupakan arus inrush transformator fasa tunggal yang dienergize saat gelombang tegangan suplay sama dengan nol. Gambar 3.4. Arus Transient pada saat Transformator Energize Pada siklus awal, karakteristik transient akan turun dengan drastis dan setelah itu pengurangannya lebih lambat. Hal ini disebabkan oleh karena konstanta waktu RL pada rangkaian tersebut tidak konstan dan bervariasi sebagai fungsi dari karakteristik saturasi transformator. Universitas Sumatera Utara Untuk menentukan harga puncak arus inrush maka digunakan persamaan sebagai berikut : Besar nilai sudut penyalaan adalah :         − − = − mp r mp s B B B B k 1 1 1 cos θ ………………………………….3.10 Dimana : k 1 : Faktor koreksi sudut sebesar 0.9. Bs : Kerapatan fluks jenuh tergantung bahan material inti Tesla Bmp : Kerapatan fluks maksimum Tesla Br : Kerapatan fluks sisa maksimumTesla Br = 0,8xBmp for cold rolled material Br = 0,6xBmp for hot rolled material Dimana       = f A N E Bmp w . . . 44 , 4 1 1 ……………… …………………………3.11 harga puncak arus inrush pada cicle pertama adalah : 1 2 max cos 1 2 . θ − = s X V K I …………………………………..…..3.12 Reaktansi udara Xs= µo     hw Aw N 2 x 2 π f……......………………………3.13 Dimana : N : Jumlah belitan darimana trafo dienergizeprimer Aw : Luas yang dibentuk belitan πd4 2 m Hw : Tinggi belitan primer m f : Frekuensi 50hz Universitas Sumatera Utara Energizeswitching pada transformator yang menyebabkan terjadinya perubahan kondisi fluks seketika dan menyebabkan mengalirnya arus magnetisasi yang besar yang mempunyai bentuk tertentu karena arus magnetisasi tidak dapat secara langsung mencapai bentuk gelombang normal steady state. Pada saat pemasukan Transformator berbeban ataupun tanpa beban merupakan perubahan fluksi seketika sehingga akan terjadi gejala inrush mangnetisasi tersebut, yang akibatnya ada arus inrush yang nilainya pada sisi primer tidak ekivalen dengan sisi sekunder, dan pada saat inilah arus inrush terbesar. III.2.5. Komponen Harmonik Arus Inrush pada Transformator Seperti yang yang telah diuraikan pada bagian sebelumnya, arus yang keluar dari transformator mengandung harmonik ketiga. Harmonik ketiga merupakan komponen harmonik ganjil yang paling besar, yang nilainya 40 sampai 50 dari ekivalen gelombang sinus arus yang keluar. Gambar 3.5. Tegangan dan Komponen Harmonik saat Transformator Energize Universitas Sumatera Utara Jika fluks dalam rangkaian magnet transformator adalah sinusoidal, arus yang keluar akan mengandung komponen harmonik ketiga. Jika komponen ini tidak mengalir karena transformator atau hubungan sistem, fluks akan mengandung komponen harmonik ketiga. Fluks yang mempunyai harmonik ketiga ini akan masuk ke lilitan, menginduksi harmonik ketiga tegangan dalam lilitan transformator. Harmonik arus menyebabkan peningkatan rugi - rugi tembaga dan rugi - rugi fluks sedangkan harmonik tegangan menyebabkan peningkatan rugi - rugi inti besi. Selain itu harmonik pada transformator akan menyebabkan transformator mengalami saturasikejenuhan. Selain arus inrush tersebut dapat menyebabkan kegagalan kerja proteksi pada Transformator, arus inrush ini juga membawa komponen harmonik. Gambar 3.6. Tegangan dan Komponen Harmonik saat Transformator Saturasi Universitas Sumatera Utara III.2.6. Lama Terjadinya Arus Inrush Pada instalasi normal transformator, fenomena terjadinya arus inrush harus diperhatikan untuk memilih sistem proteksi yang tepat. Setelah menghitung nilai arus inrush maksimum selanjutnya dapat kita tentukan kira – kira berapa lama waktu terjadinya arus inrush dan berapa lama tundaan waktu minimum untuk kerja relay saat terjadinya arus inrush tersebut. Dalam menentukanmemperkirakan berapa lama waktu terjadinya arus inrush pada transformator MVLV dapat menggunakan Tabel 3.1 yang nantinya akan dipergunakan untuk menentukan waktu tunda minimum minimum delay time untuk menghindari trip bekerjanya alat proteksi. Dari Tabel 3.1 dapat kita lihat bahwa semakin besar kapasitas trafo nilai τ inrush s semakin besar. Akan tetapi untuk mendapatkan perkiraan waktu tunda minimum selama arus inrush tersebut kita harus membandingkan nilai setting relay terhadap nilai arus puncak inrush. Selanjutnya nilai perbandingan tersebut kita lihat pada kurva untuk menentukan tundaan minimum waktu kerja pengaman. Daya KVA τ inrush s 200 0.15 250 0.18 315 0.2 400 –500 0.25 630 0.26 800-1000 0.3 1250 0.35 1600 0.4 2000 0.4 Tabel 3.1. Nilai τ inrush s untuk Transformator Distribusi Universitas Sumatera Utara Apabila nilai setting proteksi adalah Ir’ dan nilai arus inrush maksimum Ipinrush maka hasil nilai perbandingan antara nilai setting proteksi dengan nilai arus inrush maximum inrush Ip Ir dapat dipergunakan untuk mendapatkan nilai perbandingan minimum waktu tunda alat proteksi terhadap waktu terjadinya τ inrush s maka kita lihat titik inrush tr τ dari grafik pada Gambar 3.7. Gambar 3.7. Grafik perbandingan inrush Ip Ir terhadap inrush tr τ Universitas Sumatera Utara Sebagai contoh apabila kita mendapatkan nilai inrush Ip Ir misalnya bernilai 0.1 maka kita akan dapat melihat dari kurva nilai inrush tr τ adalah 1.82. Maka nilai minimum delay time adalah 1.82 x τ inrush s. Apabila transformatornya berkapasitas 200 KVA maka minimum delay time pengaman adalah 1,82 x 0,15 = 0,273 sekon III.3. Arus Hubung Singkat Berdasarkan penyebab gangguan – gangguan pada sistem tenaga listrik dapat dibagi menjadi dua yaitu : a. Gangguan Tegangan Lebih Gangguan tegangan lebih pada umumnya diakibatkan oleh sambaran petir ke sistem baik langsung maupun tidak langsung. Perubahan arus yang sangat cepat dan faktor induktansi dari saluran menyebabkan timbulnya tegangan pada saluran. b. Gangguan Arus Lebih Gangguan arus lebih ditandai dengan terjadinya kenaikan arus pada saluran melebihi arus beban maksimum. Arus lebih ini terbagi menjadi arus beban lebih I dan arus hubung singkat I. Arus beban lebih terjadi akibat penambahan beban yang akan menyebabkan kenaikan arus melebihi arus beban maksimum. Kenaikan arus ini tidak terlalu besar sehingga sistem masih bisa bertahan untuk selang waktu yang cukup lama. Sedangkan arus hubung singkat mengakibatkan kenaikan arus yang besar, jadi sedapat mungkin harus segera diatasi. Arus hubung singkat ini disebabkan oleh gangguan hubung singkat. Universitas Sumatera Utara Gangguan hubung singkat bisa saja terjadi di dalam kumparan transformator dan bisa juga di luar kumparan transformator baik itu simetris juga tidak simetris. Gangguan hubung singkat mengakibatkan terjadinya arus yang tidak seimbang atau tidak simetris. Metoda komponen simetris berguna untuk menentukan besarnya arus hubung singkat. Jatuh tegangan disebabkan oleh arus dengan urutan tertentu. Impedansi suatu rangkaian yang hanya mengalir urutan positif disebut dengan istilah impedansi urutan positif. Begitu pula untuk impedansi urutan negatif dan impedansi urutan nol. Tujuan untuk mendapatkan nilai impedansi urutan sistem daya adalah untuk dapat menunjukan semua aliran arus. Dalam menghitung besarnya arus gangguan biasanya menggunakan langkah-langkah sebagai berikut yaitu : menentukan besarnya impedansi urutan positif, negatif dan nol, dimana impedansi urutan nol digunakan untuk menghitung besarnya arus gangguan tanah. Untuk analisa gangguan hubung singkat digunakan perhitungan hubung singkat yang mengacu pada perhitungan arus dan tegangan pada suatu sistem tenaga listrik pada keadaan gangguan hubung singkat. Metoda komponen simetris digunakan dalam perhitungan yang berhubungan dengan keadaan yang tidak seimbang pada jaringan tiga fasa, dan secara khususnya untuk perhitungan hubung singkat yang tidak seimbang pada jaringan listrik. Untuk memudahkan perhitungan dan analisa hubung singkat digunakan komponen - komponen urutan, dimana pada saat terjadi gangguan hubung singkat komponen fasa tidak seimbang dipisah - pisah menjadi komponen - komponen yang Universitas Sumatera Utara seolah - olah seimbang sehingga analisa dan perhitungan menjadi lebih sederhana dan mudah. Berikut komponen - komponen urutan yang berguna untuk menganalisa gangguan hubung singkat pada sistem tiga fasa : 1. Komponen urutan positif, yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya dan berbeda sudut 120° dan mempunyai urutan yang sama dengan fasa aslinya. 2. Komponen urutan negatif, yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya dan sudut yang berbeda 120° dan mempunyai fasor urutan fasa yang berlawanan dengan fasa aslinya. 3. Komponen urutan nol, yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya dan berbeda fasa 0°. Gambar 3.8. Vektor Diagram untuk Komponen Urutan V b1 V c1 V a1 V c2 V a2 V b2 V a0 V b0 V c0 Universitas Sumatera Utara Ada 4 kemungkinan gangguan hubung singkat yang terjadi pada transformator dengan persentasi keseringan terjadinya. - gangguan 3 fasa 5 - gangguan fasa-fasa L – L 15 - gangguan Fasa-fasa ketanah 2L-G 10 - gangguan satu fasa ketanah SLG 70 Persamaan komponen simetris diatas akan sangat bermanfaat untuk analisis hubung singkat yang terjadi pada jaringan dengan berbagai bentuk gangguan yang tidak seimbang misalnya pada saat terjadi hubung singkat ketanah atau hubung singkat antar fasa. III.3.1. Analisa Gangguan Tiga Fasa dengan Metode Thevenin Pada kondisi gangguan Tiga fasa rangkaian urutan hanya terdiri dari rangkaian urutan positif saja. Analisis gangguan hubung singkat tiga phasa pada sistem tenaga listrik dpat diselesaikan denga mudah denga teori rangkaian biasa seperti loop. Tetapi untuk sistem dengan bus yang banyak akan terlalu rumit apabila diselesaikan dengan teori loop. Untuk itu akan lebih mudah apabila kita menggunakan metode thevenin. Penerapan metode thevenin dari suatu jaringan pada prinsipnya adalah menyederhanakan rangkaian yang rumit tersebut menjadi suatu model rangkaian thevenin, yang hanya terdiri dari suatu sumber tegangan Thevenin yang dihubungkan seri terhadap sebuah impedansi Thevenin. Universitas Sumatera Utara Vth Ith F N Z Gambar 3.9. Model rangkaian Thevenin Cara untuk mendapatkan Vth dan Z dari rangkaian yang rumit, untuk menentukan Vth adalah dengan memperhatikan rangkaian thevenin diatas dimana tidak ada arus yang mengalir melalui Z apabila terminal antara F dan N dibuka open circuit, karena itu tidak ada tegangan jatuh pada Z.dengan demikian maka tegangan Vth adalah tegangan antara titik F-N. Untuk mendapatkan nilai impedansi Z lebih sulit dimana Z sama dengan impedansi total yang diukur antara titik F dan N apabila semua tegangan apabila semua tegangan dianggap nol dihubung singkat. Biasanya metode untuk menghitung harga Z tersebut adalah dengan mereduksi rangkaian impedansi seperti : 1. Menjumlahkan impedansi – impedansi yang terhubung seri, misalnya Za seri terhadap Zb maka Z total adalah Za +Zb 2. Kombinasikan impedansi – impedansi yang terhubung pararel yang dihubungkan 1. Misalnya Za pararel Zb maka Z total = ZaxZbZa+Zb 3. Transformasikan dari bentuk delta ke Y dan sebaliknya. Untuk lebih lengkap dapat dilihat pada analisa data penyederhanaan impedansi. Universitas Sumatera Utara III.4. Pengaman Pada Transformator Sebaik apapun suatu sistem tenaga listrik dirancang gangguan pasti akan terjadi pada sistem tenaga tersebut. Gangguan ini dapat merusak peralatan sistem tenaga sehingga kerja sistem tenaga menjadi terganggu dan dapat mengakibatkan gagalnya penyaluran daya ke konsumen. Pengaman transformator dipasang untuk mencegah transformator dari kerusakan akibat gangguan yang terjadi pada transformator tersebut. Pertimbangan perencanaan harus memperhatikan hal - hal berikut dalam memasang jenis pengaman, antara lain : 1. Jenis Transformator yang Diamankan 2. Ukuran Transformator 3. Jenis Pendingin 4. Lokasi Pemakaian 5. Prioritas Pelayanan Untuk memilih proteksi arus lebih pada trafo perlu diperhatikan : a. Arus magnetisasi inrush, Relay IDMT inverse definite minimum time yang mempunyai waktu tunda yang cukup . Jika relay sesaat yang digunakan maka harus diset pada harga yang tinggi. a. Arus gangguan pada sisi primer dan pada sisi sekunder transformator berbeda untuk gangguan fasa ke fasa, harga paling rendah dipilih untuk setting relay arus lebih. b. Arus beban penuh harus diperhatikan dalam mensetting relay arus lebih. Universitas Sumatera Utara c. Setting relay IDMT umumnya 125 dari rating trafo untuk mengatasi overload. d. Setting relay arus lebih sesaat pada sisi primer harus lebih tinggi dari arus tak simetris bila gangguan tiga fasa di sisi sekunder. III.4.1. Pengaman Transformator Distribusi Agar suatu sistem distribusi dapat befungsi secara baik, gangguan – gangguan yang terjadi tiap - tiap bagian harus dapat dideteksi dan dipisahkan dari sistem lain dalam waktu yang secepatnya. Dengan alasan ekonomi pengaman utama yang digunakan pada trafo distribusi terdiri atas fuse, dan ligting arester untuk mengatasi gangguan sambaran petir. Keberhasilan berfungsinya proteksi memerlukan adanya suatu koordinasi antara berbagai alat proteksi yang dipakai. Penempatan LA dan fuse pada trafo tiang dapat dilihat pada gambar 3.10. Fuse sekring pada asasnya terdiri atas sepotong kawat atau elemen logam yang akan mencair bilamana dialiri arus listrik yang besarnya melampaui suatu nilai tertentu. Besar arus listrik yang akan mengakibatkan mencairnya elemen logam berbanding terbalik dengan durasi atau lama arus listrik mengalir. Karakteristik arus - waktu tidak hanya ditentukan oleh jenis logam yang dipakai dan ukuran serta konfigurasinya. Tetapi juga oleh lingkungan atau pembungkusnya. Yang terakhir ini selain menentukan lama waktu mencair juga berpengaruh pada lama waktu busur hapus yang terjadi setelah sekring menjadi cair. Universitas Sumatera Utara MERK FUSE CUT OUT CROSS ARM TRAFO DISTRIBUSI L.V.C LIGHTNING ARRESTER CROSS ARM Gambar 3.10. Penempatan Fuse dan Lighthing Arester pada Trafo Tiang. Universitas Sumatera Utara Arus I a b Waktu t I ta tb Gambar 3.11. Karakteristik Arus - Waktu antara Dua Sekring a. Sekring cepat b. Sekring lambat Gambar 3.11 memperlihatkan karakteristik sekring yang memiliki ciri-ciri yang berbeda. Misalnya pada arus I 1 sekring a akan mencair setelah waktu ta detik sedangkan sekring b setelah tb detik. Jelas tb lebih lama dari ta. Dikatakan bahwa a merupakan sekring cepat dan b merupakan sekring lambat. Sifat demikian dinamakan koordinasi dalam suatu sistem. Misalnya pada suatu saluran terpasang beberapa sekring dalam seri. Diketahui arus listrik mengalir dari sumber ke arah pemakai. Bila pada atau berdekatan alat pemakai harus bekerja atau mencair tidak pada yang berdekatan dengan sumber energi, dengan demikian bagian saluran yang mati akan sekecil mungkin. Universitas Sumatera Utara Contoh Single line pengaman trafo distribusi dapat dilihat pada Gambar 3.12. Gambar 3.12. Single Line Pengaman Trafo Distribusi 200 kVA Untuk mengamankan trafo ke sisi jaringan tegangan menengah menggunakan fuse links CO Cut Out dan untuk mengamankan ke jaringan tegangan rendah menggunakan NH NT fuse. Berbagai macam merek dan tipe fuse yang digunakan pada masa sekarang ini. Berdasarkan karakteristik arus – waktu fuse links terdiri dari Universitas Sumatera Utara berbagai macam tipe. Dan kebanyakan merek yang digunakan PT.PLN saat ini adalah merek Kearney. 1. Tipe K Fuse links tipe K dikenal dengan fuse yang bekerjanya cepat. Nominal speed rationya adalah 7. Fuse ini mempunyai setelan waktu kerja yang cepat. 2. Tipe 200 N Fuse links tipe 200N termaksud dalam jenis medium speeds fuse dengan nominal ratio 10. Fuse tipe ini mampu menahan arus yang lebih besar dari tipe K. 3. Tipe QA Fuse links tipe QA juga termaksud dalam jenis medium speed fuse links dengan nominal ratio 10. Fuse ini akan memikul rated arus gangguan 100 tanpa kerusakan dan memberikan koordinasi yang bagus untuk relay dan recloser. 4. Tipe T Jenis Fuse links tipe T termaksud dalam kelas slow fuse links. Waktu bekerjanya lebih lambat dari fuse links tipe 200 N dan tipe QA dengan nominal ratio fuse 12. 5. Tipe KS Jenis fuse tipe KS termaksud dalam kelas very slow fuse links. Fuse links tipe KS menggunakan elemen konstruksi ganda sehingga mampu memikul arus yang Universitas Sumatera Utara besar. Waktu bekerjanya lebih lambat dari fuse links tipe T. Fuse ini Nominal ratio fuse tipe ini adalah 20. Fuse ini cocok untuk line fusing dan proteksi trafo. 6. Tipe X Jenis fuse links tipe X termaksud dalam kelas Ekstra slow fuse links. Fuse links ini khusus dirancang untuk proteksi transformator. Fuse ini juga mengunakan element konstruksi ganda untuk menyediakan karakteristik Arus – waktu yang lebih teliti. Keenam jenis karakteristik fuse links merek Kearney tersebut dapat digunakan sesuai dengan kebutuhan koordinasi. Apabila kita membutuhkan kerjanya yang cepat kita bisa memilih fuse links tipe K dan apabila kita memilih kerja yang lebih lambat kita bisa menggunakan fuse links tipe lain Speed Ratio Fuse dapat dilihat pada Tabel 3.2. Tin ElementS Slow T Dual elelment Designation Fast Medium Slow Very Slow Extra Slow Type K 200,QA T KS X Speed ratio 6-8 7-11 10-13 20 32 Tabel 3.2. Speed Ratio Fuse Links Universitas Sumatera Utara Untuk mengamankan trafo ke sisi tegangan menengah digunakan fuse links dan untuk tegangan rendah digunakan NT NH fuse. Nilainya disesuaikan dengan rating arus nominal di kedua sisi. Makin besar nilai nominalnya rating fuse yang digunakan juga semakin besar. Berbagai rating pengaman fuse yang digunakan PT. PLN pada trafo distribusi dapat dilihat pada Tabel 3.3. NO KAPASITAS TRAFO KVA JTM FUSE LINKS A JTR NT FUSE UTAMA A 1 10 3 25 2 16 3 25 3 25 3 35 4 32 3 50 5 50 3 80 6 100 3 160 7 160 5 250 8 200 6 300 9 250 8 400 10 315 10 500 11 400 15 630 12 600 20 900 Tabel 3.3. Daftar Batas Pengaman Trafo Distribusi Universitas Sumatera Utara Kontruksi fuse links dapat dilihat pada gambar 3.13. Gambar 3.13. Tipe Fuse Link untuk Pemasangan Luar. a. Fuse Link 10 A b. Fuse Link antara 10 A ke 100 A Universitas Sumatera Utara III.4.2. Pemilihan dan Penggunaan Pelebur sekring pada Transformator Distribusi Fuse merupakan suatu alat pemutus yang dengan meleburnya bagian dari komponennya yang telah dirancang khusus dan disesuaikan ukurannya untuk itu, membuka rangkaian dimana pelebur tersebut terpasang dan akan memutuskan arus bila arus tersebut melebihi suatu nilai tertentu dalam waktu yang cukup tertentu. Sesuai dengan SPLN 64 tahun 1985 dalam pemilihan fuse perlu diperhatikan hal–hal sebagai berikut : 1. Rating angka pengenal Rating merupakan angka yang memberikan batasan pada penampilan kerja dan merupakan dasar dari desain dan pengujian. 2. Arus Perkiraan Prosfektif Current Merupakan arus yang seharusnya mengalir pada rangkaian bila fuse pelebur diganti dengan penghantar yang impedansinya dapat diabaikan. 3. Arus Pengenal Fuse Links Merupakan besar arus yang bisa dilewatkan fuse links secara continue tanpa mengakibatkan kenaikan suhu yang telah ditentukan pada suhu udara keliling tidak lebih dari 40 derajat. 4. Arus Pemutus Perkiraan Prospective Breaking Current Besarnya arus perkiraan pada saat mulai timbulnya busur dalam pelebur fuse pada saat fuse bekerja. Universitas Sumatera Utara 5. Kemampuan Pemutusan Breaking Capacity Merupakan nilai arus pemutusan perkiraan yang mampu diputuskan oleh pelebur pada tegangan yang ditetapkan menurut kondisi kerja dan karakteristik yang telah ditentukan A. 6. Arus Terpotong Cut of Current Merupakan Arus sesaat maksimum yang terjadi selama operasi pemutusan pelebur fuse A. 7. Waktu pra busur Leleh Pre Arcing Time or Melting Time Waktu antara permulaan timbulnya arus gangguan yang menyebabkan rusaknya element pelebur sampai timbulnya busur permulaan detik. 8. Waktu Busur Arcing Time Merupakan waktu antara timbulnya busur permulaan sampai saat padamnya busur detik. 9. Total Waktu Pemutusan Clearing Time Merupakan waktu mulai timbulnya arus gangguan sampai saat pemutusan arus gangguan. Atau dapat dikatakan jumlah waktu pra busur dan waktu busur. 10. Karakteristik WaktuArus Kurva yang menggambarkan waktu sebagai fungsi dari nilai efektif dari arus perkiraan menurut kondisi operasi yang telah ditentukan. Dalam hal ini dibedakan antara waktu leleh minimum Pre Arcing dan waktu pemutusan total. Bila tidak dikatakan syarat lain maka karakteristik waktuarus yang dimaksud berlaku untuk suhu udara keliling 20 derajat celcius. Universitas Sumatera Utara 11. Arus Lebih Arus yang timbul akibat adanya hubung singkat pada peralatan yang diamankan. 12. Beban Lebih Bebanarus lebih yang melebihi nominalnya yang untuk waktu tertentu dapat diijinkan untuk kepentingan pengusahaan A. 13. Recovery Voltage Tegangan yang timbul antara terminal pelebur setelah pemutusan. 14. Tegangan Pulih Transient : Tegangan pulih selama masa transient. 15. Tegangan hubung Switcing Voltage : tegangan sesaat maksimum yang timbul pada terminal pelebur ketika pelebur bekerja. 16. Faktor pelebur Fusing Factor min A s alfuselink Aruspengen A Aruslebur bur faktorpele = Pada umumnya faktor lebur1 17. Rasio Lebur Fusing Ratio pengaman trafo A enuhTrafo ArusBebanP A s alFuselink Aruspengen RasioLebur = 18. Ratio Kecepatan Speed Ratio det 300 det 1 , = = = t inimum ArusLelehM t inimum ArusLelehM SpeedRatio Nilai t = 600 detik untuk arus pengenal fuse links 100A. 19. Fuse Base Rumah Pelebur Bagian tetap dari pelebur yang dilengkapi dengan terminal untuk hubungan keluar. Rumah pelebur meliputi seluruh bagian – bagian yang perlu diisolasi. Universitas Sumatera Utara 20. Anak Pelebur Fuse Links Bagian yang dapat diganti – ganti dari pelebur termaksud elemennya, bila pelebur telah bekerja. 21. Pemikul Batang Pelebur Fuse Carier Bagian tetap pelebur yang berfungsi sebagai pengikatpemikul batang pelebur. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 3.14 dan 3.15. Gambar 3.14. Pelebur Jenis Pembatasan Arus Universitas Sumatera Utara Gambar 3.15 . Pelebur Jenis Letupan Kelas 2 Tipe Jatuh. Sesuai dengan SPLN 64 : 1984 Ketentuan pengaman Trafo Distribusi adalah sebagai berikut : 1. Dilihat dari karakteristik waktu – arusnya maka pengamanan untuk Trafo Distribusi dibatasi oleh dua garis kerja. 1.1 Garis kerja pertama garis batas ketahanan pelebur yang merupakan dimana pelebur primer tidak boleh bekerja, ditentukan oleh beban lebih yang masih harus dapat ditahan trafo tersebut. Beban atau arus lebih yang dimaksud adalah : Universitas Sumatera Utara - Beban lebih Beban maksimum - Arus beban peralihan cold load pick up - Hubung singkat JTR Jaringan Tegangan Rendah - Arus inrush trafo 1.2 Garis kedua garis batas ketahan trafo yang merupakan batas ketahanan trafo dimana fuse pelebur harus sudah bekerjamemutus. Gangguan yang dapat melebihi batas tersebut adalah gangguan hubung singkat disisi primer atau sekunder trafo. 2. Garis batas ketahanan Trafo distribusi umum ditentukan oleh titik – titik berikut : - 2 x In selama 100detik – beban lebih - 3 x In selama10 detik – beban peralihan - 6 x In selama 1 detik – beban peralihan - 15 x In selama 0,1 detik – arus inrush trafo - 25 x In selama 0,01 detik – arus inrush trafo Dengan catatan apabila sebagian besar beban trafo adalah motor listrik, garis batas tersebut harus digeser pada titik – titik berikut : - 3 x In selama 100 detik - 6 x In selama 10 detik - 10 x In selama 1 detik Dimana In = arus pengenal nominal trafo Universitas Sumatera Utara 3. Ketahanan pelebur terhadap surja kilat Bagi trafo – trafo daya kecil pemilihan pelebur harus memperhatikan ketahanan terhadap arus surja kilat. - minimum 74 A selama 0,01 detik untuk surja kilat 2 kA. - minimum 370 A selama 0,01 detik untuk surja kilat 10 kA. Gambar 3.16. Daerah Kerja Pelebur Primer untuk Mengamankan Trafo Distribusi Universitas Sumatera Utara 4. Garis batas ketahanan trafo ditentukan oleh titik – titik berikut : Untuk arus lebih, hubung singkat pada Jaringan Tegangan Rendah : - 3 x In selama 300 detik - 4,75 x In selama 60 detik - 6,7 x In selama 30 detik - 11,3 x In selama 10 detik Hubung singkat pada trafo : 25 x In selama 2 detik dan garis t I . 2 = 1250 Dimana Inom an arusganggu If I = dan t = waktu pemutusan maksimum detik Sesuai SPLN 50 tahun 1982 batas awal ketahanan hubung singkat untuk berbagai ukuran Trafo Distribusi dapat dilihat pada Tabel 3.4. Daya kVA Z I x In t detik 630 4 25 2 800 4,5 22,22 2,53 1000 5 20 3,125 1250 5,5 18,18 3,78 1600 6 16,67 4,5 Tabel 3.4. Batas Awal Ketahanan Hubung Singkat Trafo Distribusi 5. Arus pengenal pelebur jenis letupan ekspulsion tipe H tahan surja kilat, Tlambat, K cepat menurut publikasi IEC no 282-2 1974 – NEMA untuk pengaman berbagai daya pengenal transformator, dengan atau tanpa koordinasi dengan pengaman sisi sekunder dapat dilihat pada Tabel 3.5. Universitas Sumatera Utara Trafo distribusi Peleburtipe Arus pengenal A Ratio pelebur trafo Inom pelebur Inom , , Daya pengenal KVA Arus pengenal KVA minimum maksimum Fasa tunggal, 3 20 kV 16 1,3856 2 H 2 H 1,44 25 2,1651 3,15 H 3,15 H 1,45 30 4,3301 5 H 6,3 T 1,15 ; 1,45 Fasa tiga, 20 kV minimum maksimum trafo Inom pelebur Inom , , 50 1,4434 2 H 2 H 1,38 100 2,8867 5 H 6,3 K ; 6,3 T 1,73 ; 2,18 160 4,6188 6,3 T 8 K ; 8 T 1,36 ; 1,73 200 5,7735 6,3 T 10 K ; 10 T 1,091 ; 1,73 250 7,2169 8 T 12,5 K ; 12,5 T 1,10 ; 1,73 315 9.0933 10 T 12,5 K ; 12,5 T 1,09 ; 1,37 400 11,5470 12,5 T 16 K ; 16 T 1,08 ; 1,38 500 14,4337 16 T 20 K ; 20 T 1,10 ; 1,38 630 18,1865 20 T 25 K ; 25 T 1,09 ; 1,37 800 23,0940 25 T 31,5 K ; 31,5 T 1,08 ; 1,36 1000 28,8675 31,5 T 40 K ; 40 T 1,09 ; 1,38 Tabel 3.5 . Rekomendasi Arus Pengenal 24 kV Jenis Letupan Sebagai Pengaman Trafo Distribusi di Sisi Primer Pub.IEC no 282-21974 NEMA Universitas Sumatera Utara Catatan Bila pada sisi sekunder dipasang peleburpengaman yang dikoordinasikan dengan kerja pelebur sisi primer, maka arus pengenal pelebur pada tabel diatas akan bergeser naik. Tipe H = pelebur tahan surja petir Tipe T = pelebur lambat Tipe K = pelebur cepat 6. Bila diperlukan pelebur jenis pembatas arus current limiting, HRC sebagai pengaman trafo distribusi, mengingat kecilnya ratio kecepatan dari pelebur jenis ini maka sebaiknya terdapat koordinasi antara pelebur sisi primer dan pelebur sejenis pada sisi sekunder. Pelebur sisi primer bertugas untuk menjaga ketahanan trafo terhadap hubung singkat pada trafo, tetapi tidak meleleh karena arus inrush trafo sedangkan pelebur sisi sekunder betugas mengamankan trafo dari arus lebih karena gangguan pada sisi JTR tetapi tidak meleleh karena adanya arus peralihan. Tabel 3.6 merupakan Rekomendasi pemilihan arus pengenal pelebur 24 kV jenis letupan publikaasi IEC 282-21970NEMA disisi primer berikut pelebur jenis pembatas arus, publikasi IEC 269-21973 di sisi sekunder230400 V disisi sekunder yang merupakan pasangan yang diserasikan sebagai pengaman trafo distribusi Universitas Sumatera Utara Trafo distribusi Pelebur primer 24 KV Arus pengenal A Pelebur sekunder 230400V Daya pengenal KVA Arus pengenal KVA Tipe T Tipe K Arus pengenalA min maks min maks min maks Fasa tunggal, 3 20 kV 16 1,3856 - - 6,3 6,3 80 100 25 2,1651 6,3 6,3 6,3 6,3 125 125 30 4,3301 10 10 10 16 250 250 Fasa tiga, 20 kV 50 1,4434 - - 6,3 6,3 80 100 100 2,8867 6,3 8 6,3 10 160 200 160 4,6188 10 12,5 10 12,5 250 250 200 5,7735 10 12,5 16 20 315 315 250 7,2169 16 16 16 25 400 400 315 9.0933 20 25 20 31,5 500 500 400 11,5470 25 25 25 40 630 630 500 14,4337 25 31,5 31,5 40 800 800 630 18,1865 40 40 40 63 1000 1000 800 23,0940 50 63 50 80 1250 1250 1000 28,8675 63 63 63 100 1600 1600 Tabel 3.6. Rekomendasi Pemilihan Arus Pengenal Pelebur 24 kV Jenis Letupan di sisi Primer dan Sekunder Catatan : Pemilihan nilai maksimum pelebur sekunder perlu dikombinasikan dengan nilai nilai maksimunm pelebur primer diperoleh dengan pelebur paralel koordinasinya dapat dilihat pada gambar 3.17 Universitas Sumatera Utara Gambar 3.17. Contoh Koordinasi antar Pelebur Primer dan Sekunder untuk mengamankan Trafo 400 kVA Pasangan Luar Keterangan : a. Kurva ketahanan pelebur b. Kurva leleh minimum pelebur jenis “pembatas arus” 630 A di sekunder yang dinyatakan dalam harga primer. c. Kurva ketahan trafo 400 kVA d. Kurva leleh minimum pelebur jenis “letupan’ 40 A tipe K di sisi primer Universitas Sumatera Utara 7. Arus pengenal pelebur jenis pembatas arus menurut berbagai daya pengenal dapat dilihat pada Tabel 3.7 Trafo distribusi 3 fasa Arus pengenal anak peleburA Daya pengenal kVA Vertor grup Arus pengenal A Di primer Di sekunder min maks min maks 50 Yzn5 1,4434 6,3 6,3 80 100 100 Yzn5 2,8867 12,5 16 160 200 160 Yzn5 4,6188 16 20 250 250 200 Yzn5 5,7735 16 20 315 315 250 Yzn5 7,2169 20 25 400 400 200 Dyn5 5,7735 16 20 315 315 250 Dyn5 7,2169 20 25 400 400 315 Dyn5 9,0933 20 25 500 500 400 Dyn5 11,4330 25 31,5 630 630 500 Dyn5 14,4330 31,5 40 800 800 630 Dyn5 18,1860 40 50 1000 1000 800 Dyn5 23,0940 50 63 1250 1250 1000 Dyn5 28,8670 63 80 1600 1600 Tabel 3.7. Rekomendasi Pemilihan Arus Pengenal Anak Pelebur 24 kV Jenis Pembatas Arus. Rujukan Publikasi IEC 282-11974, VDE dan UTE Perancis di sisi 20 kV, berikut pelebur jenis pembatasan arus rujukan IEC 269-2 1973 di sisi sekuder 230400 yang diselaraskan sebagai pengaman trafo distribusi. Universitas Sumatera Utara

BAB IV PERHITUNGAN ARUS INRUSH DAN ARUS HUBUNG SINGKAT

PADA SISI PRIMER DAN SEKUNDER TRANSFORMATOR

IV.1. Umum

Transformator Distribusi merupakan suatu alat yang memegang peranan penting dalam sistem distribusi daya listrik. Transformator ini mengubah tegangan menengah 20 kV ke tegangan rendah 400230 kV. Saat pertama kali transformator dihubungkan terhadap suatu sumber tegangan, maka akan mengalir arus yang cukup besar dengan periode waktu yang sangat singkat. Nilai arus ini sangat besar bisa mencapai puluhan arus nominalnya. Dan ini yang dinamakan dengan arus inrush. Gangguan dalam sistem tenaga listrik sering terjadi yang menimbulkan arus gangguan yang besar juga. Arus ini akan merambat ke peralatan lain apabila tidak ada proteksipengaman peralatan maupun jaringan. Nilai arus gangguan ini juga tergantung pada lokasi gangguan. Dalam bab ini besar nilai arus inrush dan arus hubung singkat pada trafo yang digunakan PT.PLN Rayon Medan kota akan dihitung dengan memasukkan data yang diperoleh. Dalam hal ini kapasitas Trafo Distribusi adalah 400 KVA MK 076 yang letaknya dapat dilihat pada lampiran. Universitas Sumatera Utara