Studi Penggunaan Sistem Pendingin Udara Tekan Untuk Meningkatkan Efisiensi Transformator (Aplikasi pada PLTU Labuhan Angin, Sibolga)

STUDI PENGGUNAAN SISTEM PENDINGIN UDARA TEKAN UNTUK MENINGKATKAN EFISIENSI TRANSFORMATOR

PADA BEBAN LEBIH

(APLIKASI PADA PLTU LABUHAN ANGIN, SIBOLGA)

Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Menyelesaikan Pendidikan Sarjana (S-1) pada

Departemen Teknik Elektro Sub Konsentrasi Teknik Energi listrik

OLEH :

NIM: 080402072

YOHANNES ANUGRAH BUTAR-BUTAR

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

STUDI PENGGUNAAN SISTEM PENDINGIN UDARA TEKAN UNTUK MENINGKATKAN EFISIENSI TRANSFORMATOR PADA BEBAN LEBIH

(APLIKASI PADA PLTU LABUHAN ANGIN, SIBOLGA) Oleh :

080402072

YOHANNES ANUGRAH BUTAR-BUTAR

Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana Teknik Elektro

Disetujui oleh : Dosen Pembimbing,

NIP : 19541220 198003 1002 Ir. EDDY WARMAN, MT

Diketahui oleh :

Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU

NIP : 19540531 98601 1002 Ir. SURYA TARMIZI KASIM, M.Si

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

ABSTRAK

Suatu transformator bila dibebani, maka akan timbul rugi tembaga pada belitan transformator dan inti yang diubah menjadi panas. Panas yang ditimbulkan dapat menaikkan temperatur transformator. Semakin besar beban yang diterima, menyebabkan kenaikan temperatur yang semakin tinggi, rugi-rugi menjadi semakin besar, dan efisiensi menjadi turun. Oleh sebab itu diberikan pendinginan dengan pendingin udara tekan yang bertujuan untuk menurunkan temperatur pada transformator.

Pada tugas akhir ini akan dianalisis secara spesifik tentang efisiensi dari transformator. Pembebanan yang bervariasi dapat menyebabkan perubahan temperatur dari transformator. Untuk mendapatkan tingkat efisiensi yang lebih baik, maka dapat dilakukan dengan jalan menurunkan temperatur transformator sehingga rugi-ruginya akan turun dan umur dari transformator menjadi lebih panjang.

Dari hasil analisis didapatkan bahwa rugi-rugi daya transformator menjadi lebih kecil dan temperatur dapat terjaga dibawah batas yang diijinkan saat diberikan pendinginan. Sehingga, efisiensi transformator juga meningkat. Pada saat diberikan pendinginan, didapatkan perbandingan rugi-rugi dan efisiensi transformator: Beban 80% ; Tn = 57,58oC ; Ploss = 4391,936kVA ; η=97,38%; Beban 130% ; Tn = 67,24oC ; Ploss= 11917,448kVA ; η =96,11% ; Beban 150% ; Tn = 77,14oC ; Ploss = 1559,26kVA ; η =95,12%. Dengan menjaga temperatur di bawah batas yang diizinkan, maka transformator dapat dibebani lebih besar, bahkan sanggup lebih dari 150.

KATA PENGANTAR

Segala Puji dan Syukur Penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, oleh karena berkat dan juga kasihNya sehingga penulis diberikan kesempatan untuk dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik.

Adapun judul dari Tugas Akhir ini adalah : “Studi Penggunaan Sistem Pendingin Udara Tekan Untuk Meningkatkan Efisiensi Transformator (Aplikasi pada PLTU Labuhan Angin, Sibolga)”. Dan Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat utama agar penulis dapat memperoleh gelar kesarjanaan pada Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknin Universitas Sumatera Utara.

Tidak lupa Penulis juga ingin menyampaikan rasa hormat, dan juga terima kasih yang sebesar-besarnya untuk orang tua penulis yaitu Drs. K Butar-butar selaku bapak dari Penulis dan juga R. Simanjuntak selaku ibu dari Penulis, yang telah membesarkan, mendidik saya, dan juga kepada abang saya Pendeta Iswandi Butar-butar, STh dan istrinya Ennovrida Dolok Saribu, Spd, abang saya Jepry butar, ST, abang saya Antoni butar, SH, dan adik saya Erwin Butar-butar, AMd yang senantiasa selalu memberikan support secara moral dan juga materil dan juga tidak lupa selalu mendoakan Penulis.

Dalam kesempatan ini juga, Penulis tak lupa ingin mengucapakan rasa hormat dan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Ir. Eddy Warman, MT, selaku Dosen Pebimbing Tugas Akhir, yang dengan ikhlas dan sangat sabar dalam memberikan dukungan, bimbingan, masukan yang sangat membangun, dan juga motivasi dalam penulisan Tugas Akhir ini.

2. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si, selaku Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak Rahmad Fauzi, ST.MT, selaku sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara,

4. Seluruh Staf pengajar di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, yang telah memberikan bekal ilmu kepada Penulis selama mengikuti Perkuliahan.

5. Seluruh karyawan di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, yang telah memberikan bekal ilmu kepada Penulis selama mengikuti perkuliahan.

6. Terima kasih juga kepada sahabat-sahabat penulis yang telah memberikan dukungan dalam suka dan duka, kepada Bang Marthin Tarigan yang selalu mensupport moril, dan teman-teman seperjuangan Angkatan 2008, Johannes Sibarani, Louis Sirait, Parulian Sandy, Basofi Simanjuntak, dan teman-teman seperjuangan DOTA dan futsal angkatan 2008,dan teman-teman maen futsal dan jongkok, Oloni Simanjuntak, Kevin Pinem, Dea Silalahi, Samuel, Nuzul, James Purba, dan bang Pane, dan teman-teman di elektro yang tidak dapat Penulis sebutkan satu per satu, semoga hubungan kekerabatan kita terus terjaga.

7. Teman-teman mahasiswa dan semua pihak yang tidak dapat Penulis sebutkan satu persatu.

Medan, 26 Maret 2013 Penulis

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... ii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR GAMBAR ... vi

DAFTAR TABEL ... vii

BAB I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah ... 1

1.2 Rumusan Masalah ... 2

1.3 Tujuan Penulisan Tugas Akhir ... 2

1.4 Batasan Masalah ... 3

1.5 Metodologi Penulisan ... 3

1.6 Sistematika Penulisan ... 3

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Definisi Transformator ... 5

2.2 Prinsip Kerja Transformator ... 6

2.3 Konstruksi Transformator ... 7

2.4 Polaritas Transformator ... 16

2.5 Pendingin Transformator ... 17

2.5.1 Trafo Minyak dengan Pendingin Sendiri ... 19

2.5.2 Trafo Minyak dengan Pendingin Udara secara Paksaan .... 19

2.5.3 Trafo Minyak dengan Pendingin Air ... 19

2.6 Trafo Ideal ... 20

2.6.1 Kondisi Trafo Ideal ... 20

2.6.2 Trafo Ideal Tidak Berbeban ... 20

2.6.3 Trafo Ideal Berbeban ... 22

2.6.4 Karakteristik Trafo Ideal ... 23

2.7 Karakteristik Trafo Ideal ... 23

2.7.1 Arus Magnetisasi ... 23

2.7.2 Arus Eksitasi ... 25

2.8 Rangkaian Ekivalen Trafo ... 25

2.9 Rating Trafo ... 26

2.10 Rugi-rugi Trafo ... 26

2.10.1 Rugi Tembaga ... 27

2.10.2 Rugi Besi ... 28

2.11 Efisiensi Trafo ... 29

2.12 Testing Trafo ... 30

2.12.1 Tes Hubungan Terbuka ... 30

2.12.2 Tes Hubung Singkat ... 33

BAB III. SISTEM PENDINGINAN TRANSFORMATOR 3.1 Metode Pendinginan dan Klarifikasi dari Peralatan ... 35

3.2 Sistem Pendingin pada Transformator ... 37

3.3 Metode Konstruksi dan Karakteristik Operasi Trafo ... 37

3.4 Kontrol Pendinginan ... 39

3.5 Kipas Pendingin ... 40

4.7 Kenaikan Temperatur terhadap Perubahan Beban dalam .... 44

BAB IV. ANALISIS PERHITUNGAN DATA TRAFO 4.1 Umum ... 46

4.2 Data Percobaan Transformator ... 47

4.3 Analisa dari Rangkaian Ekivalen Transformator ... 49

4.4 Nilai Tahanan dari Transformator saat Berbeban Penuh ... 52

4.5 Pengoperasian Sebelum memakai Media Pendingin ... 53

4.5.1 Rugi-rugi dan Efisiensi Trafo saat Berbeban Penuh ... 53

4.5.2 Perubahan Temperatur terhadap Beban Variabel ... 55

4.5.3 Rugi-rugi dan Efisiensi pada Beban tertentu saat Operasi Normal ... 59

4.6 Pengoperasian saat memakai Media Pendinginan ... 65

4.6.1 Penyalaan Kipas Grup Pertama ... 66

4.6.2 Penyalaan Kipas Grup Kedua ... 73

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 79

5.2 Saran ... 80

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Bagan dari Transformator ... 6

Gambar 2.2 Rangkaian Pengganti Transformator ... 7

Gambar 2.3 Trafo (a) Tipe Inti dan (b) Tipe Cangkang ... 8

Gambar 2.4 Pendingin Sirip dan Kipas ... 13

Gambar 2.5 Polaritas Trafo ... 16

Gambar 2.6 Trafo Ideal dalam Keadaan Tidak Berbeban ... 21

Gambar 2.7 Trafo Ideal dalam Keadaan Berbeban ... 22

Gambar 2.8 Loop Histerisis dari Trafo Tidak Ideal ... 24

Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Transformator ... 25

Gambar 2.10 Diagram Tes Hubungan Terbuka (a) Rangkaian Untuk Tes (b) Rangkaian Ekivalen untuk Hubungan Terbuka ... 31

Gambar 2.11 Diagram Tes Hubungan Tertutup (a) Rangkaian Untuk Tes (b) Rangkaian Ekivalen untuk Hubungan Tertutup ... 33

Gambar 2.12 Rangkaian Ekivalen untuk Hubungan Tertutup ... 34

Gambar 3.1 Kipas Pendingin... 40

Gambar 4.1 Main Transformator Unit 1 PLTU Labuhan Angin, Sibolga ... 46

Gambar 4.2 Diagram untuk Tes Hubungan Terbuka:(a).Rangkaian untuk Tes (b). Rangkaian Ekivalen untuk Hubungan Terbuka ... 49

Gambar 4.3 Diagram untuk Tes Hubungan Tertutup: (a) Rangkaian untuk Tes (b) Rangkaian Ekivalen untuk Hubungan Tertutup ... 50

Gambar 4.4 Rangkaian Ekivalen Transformator dengan Parameter-parameter yang telah didapatkan dalam Analisis ... 52

Gambar 4.5 Grafik rugi-rugi Satu Fasa dari Transformator terhadap Beban

Variabel ... 57 Gambar 4.6 Grafik Kenaikan Temperatur Transformator terhadap Beban

Variabel ... 57 Gambar 4.7 Grafik Pengaruh Pembebanan terhadap Rugi Daya Transformator 64 Gambar 4.8 Grafik Pengaruh Pembebanan terhadap Efisiensi Transformator . 64 Gambar 4.9 Grafik Perbedaan Rugi-rugi saat Sebelum dan Sesudah diberikan

Pendinginan oleh Kipas Grup Pertama ... 72 Gambar 4.10 Grafik Perbedaan Efisiensi saat Sebelum dan Sesudah diberikan

Pendinginan oleh Kipas Grup Pertama ... 72 Gambar 4.11 Grafik Perbedaan Rugi-rugi saat Sebelum dan Sesudah diberikan

Pendinginan oleh Kipas Grup Pertama dan Kedua ... 76 Gambar 4.12 Grafik Perbedaan Efisiensi saat Sebelum dan Sesudah diberikan

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Klasifikasi Metode Pendinginan Transformator ... 35

Tabel 3.2 Rating Sistem Isolasi Transformator ... 37

Tabel 3.3 Koefisien Temperatur dan Resistansi pada Material Kondukto ... 43

Tabel 4.1 Name Plate Transformator ... 46

Tabel 4.2 Urutan Tap changer Gardu Induk PLTU Labuhan Angin, Sibolga ... 47

Tabel 4.3 Data Tes Tanpa Beban dan Tes Hubung Singkat Transformator ... 48

Tabel 4.4 Data rugi-rugi transformator ... 48

Tabel 4.5 Kenaikan Temperatur Trafo Terhadap Beban Variabel ... 56

Tabel 4.6 Perubahan Resistansi saat Beban Berubah-ubah ... 60

Tabel 4.7 Perubahan Arus terhadap Beban Variabel ... 61

Tabel 4.8 Rugi-rugi pada Kumparan dan Besi Transformator ... 62

Tabel 4.9 Rugi daya total dan Efisiensi Transformator ... 63

Tabel 4.10 Resistansi pada Beban Bervariasi dengan diberikan Pendinginan oleh Kipas Grup Pertama ... 70

Tabel 4.11 Rugi-rugi di Kumparan dan Besi Trafo saat diberikan Pendinginan oleh Kipas Grup Pertama ... 70

Tabel 4.12 Rugi Daya Total dan Efisiensi Trafo saat diberikan Pendinginan oleh Kipas Grup Pertama ... 71

Tabel 4.13 Resistansi pada Beban Bervariasi dengan diberikan Pendinginan oleh Kipas Grup Kedua ... 75

Tabel 4.14 Rugi-rugi di Kumparan dan Besi Trafo saat diberikan Pendinginan oleh Kipas Grup Pertama dan Kedua ... 75

Tabel 4.15 Rugi Daya Total dan Efisiensi Trafo saat diberikan Pendinginan oleh

ABSTRAK

Suatu transformator bila dibebani, maka akan timbul rugi tembaga pada belitan transformator dan inti yang diubah menjadi panas. Panas yang ditimbulkan dapat menaikkan temperatur transformator. Semakin besar beban yang diterima, menyebabkan kenaikan temperatur yang semakin tinggi, rugi-rugi menjadi semakin besar, dan efisiensi menjadi turun. Oleh sebab itu diberikan pendinginan dengan pendingin udara tekan yang bertujuan untuk menurunkan temperatur pada transformator.

Pada tugas akhir ini akan dianalisis secara spesifik tentang efisiensi dari transformator. Pembebanan yang bervariasi dapat menyebabkan perubahan temperatur dari transformator. Untuk mendapatkan tingkat efisiensi yang lebih baik, maka dapat dilakukan dengan jalan menurunkan temperatur transformator sehingga rugi-ruginya akan turun dan umur dari transformator menjadi lebih panjang.

Dari hasil analisis didapatkan bahwa rugi-rugi daya transformator menjadi lebih kecil dan temperatur dapat terjaga dibawah batas yang diijinkan saat diberikan pendinginan. Sehingga, efisiensi transformator juga meningkat. Pada saat diberikan pendinginan, didapatkan perbandingan rugi-rugi dan efisiensi transformator: Beban 80% ; Tn = 57,58oC ; Ploss = 4391,936kVA ; η=97,38%; Beban 130% ; Tn = 67,24oC ; Ploss= 11917,448kVA ; η =96,11% ; Beban 150% ; Tn = 77,14oC ; Ploss = 1559,26kVA ; η =95,12%. Dengan menjaga temperatur di bawah batas yang diizinkan, maka transformator dapat dibebani lebih besar, bahkan sanggup lebih dari 150.

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Listrik merupakan energi yang sangat dibutuhkan dalam kehidupan bermasyarakat. Kebutuhan akan energi listrik saat ini semakin lama semakin meningkat, sedangkan sumber daya yang dibutuhkan untuk menghasilkan energi ini semakin berkurang. Oleh sebab itu sangat diperlukan penghematan dan ketepatan dalam pemanfaatannya.

Untuk mengkonversikan energi listrik diperlukan peralatan listrik pendukung, diantaranya adalah transformator (Transformer). Transformator adalah komponen yang sangat penting dalam sistem ketenaga listrikan. Keberadaan transformator merupakan penemuan besar yang sangat penting dalam kemajuan ketenagalistrikan.

Dalam dunia industri, transformator sangat besar peranannya. Transformator digunakan sebagai alat penurun tegangan (Transformator step down) dan sebagai alat penaik tegangan (Transformator step up). Pada transformator terdapat rugi-rugi, baik rugi yang disebabkan arus mengalir pada kawat tembaga, rugi yang disebabkan fluks bolak balik pada inti besi, maupun rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi yang mengakibatkan berkurangnya efisiensi pada transformator.

1.2 Perumusan Masalah

Masalah yang akan dibahas dalam tugas akhir ini adalah:

1. Perubahan resistansi yang terjadi pada kenaikan temperatur sebagai akibat dari pembebanan yang semakin besar.

2. Pengaruh pembebanan terhadap kenaikan temperatur trafo dan tingkat efisiensi trafo tersebut.

3. Pengaruh penggunaan pendingin terhadap perubahan temperatur yang terjadi pada trafo saat terjadi pembebanan yang berubah-ubah, dan peningkatan efisiensi trafo.

4. Bagaimana saat suatu trafo dibebani lebih besar. 1.3 Tujuan

Adapun tujuan penulisan t ugas akhir ini adalah :

1. Untuk mengetahui tingkat efisiensi trafo dengan pembebanan yang berubah-ubah, dan beban lebih.

2. Untuk mengetahui pengaruh perubahan beban dan temperatur lingkungan terhadap kenaikan temperatur trafo

3. Untuk mengetahui seberapa besar pengaruh dari penggunaan pendingin udara tekan dibandingkan dengan pendingin udara natural.

4. Untuk mengetahui perbandingan rugi-rugi daya dan efisiensi transformator pada saat diberikan pendinginan

1.4 Batasan Masalah

Untuk membatasi materi yang akan dibicarakan pada Tugas Akhir ini, maka penulis membatasi penulisan Tugas Akhir ini kepada hal sebagai berikut :

1. Besar daya output yang dihasilkan oleh transformator saat beban tertinggi dan terendah.

2. Pengaruh penggunaan pendingin udara tekan terhadap perubahan temperatur yang terjadi pada transformator saat terjadi pembebanan yang berubah-ubah, dan peningkatan efisiensi transformator.

1.5 Metodologi Penulisan

Metode Penulisan yang digunakan dalam penulisan Tugas Akhir ini adalah:

1. Studi literatur, berupa studi kepusakaan dan kajian dari jurnal-jurnal dan artikel pendukung.

2. Perhitungan rugi-rugi dan efisiensi transformator sebelum dan sesudah diberi pendingin udara tekan (dengan memakai kipas).

1.6 Sistematika Penulisan

Untuk memudahkan pemahaman terhadap Tugas Akhir ini maka penulis menyusun sitematika penulisan sebagai berikut :

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini merupakan pendahuluan yang berisikan tentang latar belakang masalah,rumusan masalah, tujuan penulisan, batasan

masalah,tinjauan pustaka, metode penulisan, dan sistematika penulisan dari Tugas Akhir ini.

BAB II TRANSFORMATOR

Pada bab ini membahas tentang transformator, prinsip kerja trafo, konstruksi trafo, rugi-rugi transformator dan efisiensi transformator.

BAB III PENDINGIN TRANSFORMATOR

Pada bab ini membahas tentang kinerja pendingin transformator.

BAB IV ANALISIS PENGGUNAAN SISTEM PENDINGIN UDARA TEKAN TRANSFORMATOR PADA BEBAN LEBIH

Pada bab ini membahas tentang analisis penggunaan sistem pendingin udara tekan transformator terhadap rugi-rugi dan efisiensi transformator pada beban lebih.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Pada bab ini berisi tentang kesimpulan dari hasil analisis sistem pendingin udara tekan pada transformator serta saran – saran yang diperlukan dalam pembuatan Tugas Akhir ini.

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Transformator

Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian ke rangkaian listrik yang lain, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnet. Transformator digunakan secara luas, baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Transformator berfungsi untuk menyalurkan daya/tenaga dari tegangan tinggi ke tegangan rendah atau sebaliknya. Dalam operasi penyaluran tenaga listrik transformator dapat dikatakan sebagai jantung dari transmisi dan distribusi.

Transformator satu fasa mempunyai satu sisi masukan dan satu sisi keluaran. Sisi masukan disebut sisi primer, dan sisi keluaran disebut sisi sekunder. Sedangkan transformator tiga fasa mempunyai tiga buah sisi masukan dan tiga buah sisi keluaran, Transformator tiga fasa dapat dibentuk dari tiga buah transformator satu fasa ataupun dari bentuk konstruksi transformator tiga fasa satu inti. Dalam bidang tenaga listrik pemakaian transformator dikelompokkan menjadi tiga jenis yaitu sebagai berikut:

1. Transformator daya 2. Transformator distribusi 3. Transformator ukur

Kerja transformator yang berdasarkan induksi elektromagnet, menghendaki adanya gandengan magnet antara rangkaian

dan sekunder. Gandengan magnet ini berupa inti besi tempat melakukan fluks bersama. [1]

2.2 Prinsip Kerja Transformator

Suatu trafo, dalam bentuk yang sederhana, pada dasarnya terdiri dari dua kumparan yang diisolasikan yang tergandeng dengan medan magnet bersama atau mutual yang dibangkitkan dalam inti bahan magnetik, seperti terlihat pada Gambar 2.1. Kumparan yang dihubungkan dengan sumber arus bolak-balik diberi nama kumparan primer, dan kumparan yang dihubungkan dengan beban, diberi nama kumpara sekunder.

Gambar 2.1 Bagan dari transformator[1]

Apabila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak balik, maka fluks bolak balik akan muncul dalam inti (core) yang dilaminasi, karena kumparan tersebut membentuk jaringan tertutup, maka mengalirlah arus primer. Akibat adanya fluks di kumparan primer, maka dikumparan primer terjadi induksi (self induction). Selain itu, terjadi pula induksi dikumparan sekunder karena pengaruh induksi dari kumparan primer (mutual induction) yang menyebabkan timbulnya fluks magnet dikumparan sekunder, serta arus sekunder jika rangkaian sekunder dibebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer

keseluruhan (secara magnetik). Secara umum, rangkaian pengganti sebuah transformator adalah sebagai berikut:

Gambar 2.2 Rangkaian Pengganti Transformator [1]

Apabila semua parameter sekunder dinyatakan dalam harga rangkaian primer, harganya perlu dikalikan dengan faktor a2, dimana:

a = �1 �2

………..………(2.1)

2.3 Konstruksi Transformator

Kerja transformator yang berdasarkan induksi elektromagnet, menghendaki adanya gandengan magnet antara rangkaian primer dan sekunder gandengan magnet ini berupa inti besi tempat melakukan fluks bersama. Berdasarkan cara melilitkan kumparan pada inti, dikenal dua macam transformator, yaitu tipe inti (core) dan tipe cangkang (shell). [1]

(a) (b)

Gambar 2.3 (a) Tipe Inti ( Core Type) (b) Tipe Cangkang (Shell Type) [1]

2.3.1 Inti Besi

Inti besi digunakan sebagai media jalannya fluks yang timbul akibat induksi arus bolak balik pada kumparan yang mengelilingi inti besi sehingga dapat menginduksi kembali ke kumparan yang lain. Dibentuk dari lempengan – lempengan besi tipis berisolasi yang disusun sedemikian rupa untuk mengurangi panas (sebagai rugi-rugi besi) yang ditimbulkan atau diakibatkan oleh arus Eddy (Eddy current). [1]

2.3.2 Kumparan Transformator (Winding)

Kumparan transformator adalah beberapa lilitan kawat berisolasi yang membentuk suatu kumparan. Belitan terdiri dari batang tembaga berisolasi yang mengelilingi inti besi, dimana saat arus bolak balik mengalir pada belitan tembaga tersebut, inti besi akan terinduksi dan menimbulkan fluks magnetik. [ 1 ]

2.3.3 Minyak Transformator

Sebagian besar kumparan-kumparan dan inti trafo tenaga direndam dalam minyak trafo, terutama trafo-trafo tenaga yang berkapasitas besar, karena minyak trafo mempunyai sifat sebagai isolasi dan media pemindah, sehingga minyak trafo tersebut berfungsi sebagai media pendingin dan isolasi. [1]

2.3.4 Tangki Konservator

Saat terjadi kenaikan suhu operasi pada transformator, minyak isolasi akan memuai sehingga volumenya bertambah. Sebaliknya saat terjadi penurunan suhu operasi, maka minyak akan menyusut dan volume minyak akan turun. Konservator digunakan untuk menampung minyak pada saat transformator mengalami kenaikan suhu. Seiring dengan naik turunnya volume minyak di konservator akibat pemuaian dan penyusutan minyak, volume udara didalam konservator pun akan bertambah dan berkurang. Penambahan atau pembuangan udara didalam konservator akan berhubungan denganudara luar. Agar minyak isolasi transformator tidak terkontaminasi oleh kelembaban dan oksigen dari luar, maka udara yang akan masuk kedalam konservator akan difilter melalui silicage. Untuk menghindari agar minyak trafo tidak berhubungan langsung dengan udara luar, maka saat ini konservator dirancang dengan menggunakan brether bag/rubber bag, yaitu sejenis balon karet yang dipasang didalam tangki konservator. [1]

2.3.5 Bushing

Hubungan antara kumparan trafo ke jaringan luar melalui sebuah bushing yaitu sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator, yang sekaligus berfungsi sebagai penyekat antara konduktor tersebut dengan tangki trafo. Secara garis besar bushing dapat dibagi menjadi empat bagian utama yaitu isolasi, konduktor, klem koneksi, dan asesoris. Isolasi pada bushing terdiri dari dua jenis yaitu oil impregnated paper dan resin impregnated paper. Pada tipe oil impregnated paper, isolasi yang digunakan adalah kertas isolasi dan minyak isolasi sedangkan pada tipe resin impregnated paper, isolasi yang digunakan adalah kertas isolasi dan resin. [1]

2.3.6 Peralatan Bantu

Peralatan bantu berfungsi untuk membantu fungsi-fungsi dari bagian utama.

2.3.6.1 Pendingin

Sebagai instalasi tenaga listrik yang dialiri arus maka pada transformator akan terjadi panas yang sebanding dengan arus yang mengalir serta temperatur udara disekeliling transformator tersebut. Jika temperatur luar cukup tinggi dan beban transformator juga tinggi maka transformator akan beroperasi dengan temperatur yang tinggi pula. Untuk mengatasi hal tersebut transformator perlu dilengkapi dengan sistim pendingin yang bisa memanfaatkan sifat alamiah dari cairan pendingin dan dengan cara mensirkulasikan secara teknis, baik yang menggunakan sistem radiator, sirip-sirip yang tipis berisi minyak dan dibantu dengan hembusan angin dari

kipas-kipas sebagai pendingin yang dapat beroperasi secara otomatis berdasarkan pada setting rele temperatur dan sirkulasi air yang bersinggungan dengan pipa minyak isolasi panas.

Transformator umumnya diisi minyak sebagai bahan isolasi antara kumparan dengan kumparan dan kumparan dengan kaki. Transformator tenaga umumnya dilengkapi dengan sistem pendingin, yang dimaksudkan agar trafo dapat bekerja sesuai rating yang tertera pada spesifikasinya. Trafo yang dilengkapi pendingin adalah yang berkapasitas di atas 10 MVA. Tipe pendingin trafo adalah secara alami dan paksaan, yaitu menggunakan riben (sirip), radiator dan bantuan motor untuk mengembus udara. Banyaknya riben atau motor-motor yang terpasang sesuai dengan kapasitas trafo dan permukaan yang didinginkan.

Transformator dalam keadaan bertegangan dan belum dibebani akan timbul rugi-rugi yang dapat menimbulkan kondisi trafo tersebut panas, namun panas yang timbul kecil. Apabila transformator tersebut dibebani maka kumparan dan minyak di dalam trafo akan bertambah panas sesuai dengan kenaikan bebannya. Panas yang timbul pada kumparan akan diteruskan secara konduksi pada minyak trafo yang berfungsi sebagai pendingin. Baik kumparan maupun minyak trafo mempunyai batas-batas operasi panas yang diijinkan. Isolasi kumparan yang terdiri dari kertas kraft mempunyai batas panas yang diijinkan sesuai dengan kelas isolasi spesifikasi trafo. Demikian juga minyak isolasi trafo mempunyai batas panas yang diijinkan. Apabila panas-panas tersebut dilampaui maka isolasi akan rusak dan secara keseluruhan transformator tersebut akan rusak. Panas tersebut harus direduksi dengan memasang sistem pendingin yaitu: riben, radiator kipas-kipas dan pompa minyak.

a. Pendingin Dengan Riben

Transformator dengan kapasitas 10 sampai dengan 30 MVA menggunakan riben atau sirip-sirip sebagai pendingin. Minyak panas yang ditimbulkan oleh panas kumparan akan terjadi pada bagian atas trafo sementara minyak yang dingin berada di bawah bagian trafo. Kondisi ini secara alami akan mengalir dari bawah trafo dan diteruskan melalui riben atau sirip pendingin, yang dirancang sedemikian sehingga minyak panas yang melalui riben akan didinginkan oleh aliran udara luar.

b. Pendingin Menggunakan Kipas

Transformator dengan kapasitas lebih dari 30 MVA biasanya dilengkapi dengan riben kipas pendingin, radiator dan pompa minyak.

c. Menggunakan Riben dan Kipas

Minyak trafo panas yang dialirkan melalui riben seperti yang dijelaskan di atas akan dihembus dengan udara dari kipas pendingin, baik secara vertikal ataupun horizontal sehingga minyak panas sebelum masuk kedalam trafo telah didinginkan dengan udara luar dengan bantuan kipas angin.

d. Menggunakan radiator dan Kipas Pendingin

Minyak panas dari dalam trafo dipompa dengan motor pompa minyak dialirkan melalui radiator-radiator dan pada bagian depan radiator terpasang kipas-kipas pendingin yang akan menarik udara panas yang ditimbulkan oleh minyak panas ke udara luar dan dari sela-sela radiator akan mengalir udara segar yang akan mendinginkan minyak trafo. [1,2]

Gambar 2.4 Pendingin Sirip dan Kipas [2]

2.3.6.2 Konservator

Konservator berupa tangki tambahan berbentuk silinder yang ditempatkan diatas tangki transformator. Fungsi dari alat ini adalah untuk tempat luapan minyak transformator pada saat memuai akibat temperatur yang tinggi pada lilitan. [1]

2.3.6.3 Dehydrating Breather

Pada saat minyak naik temperaturnya, akan terjadi perubahan volume minyak yang berakibat terdorongnya udara dalam kantong udara pernafasan menuju keluar sedangkan pada saat minyak dingin terjadi penyusutan volume minyak yang menyebabkan udara luar masuk ke dalam tangki trafo. Selama proses tersebut akan terjadi singgungan antara minyak dengan udara luar. Jika udara tersebut lembab, maka uap air akan terserap oleh minyak trafo yang berakibat turunnya tegangan tembus.

Untuk mengatasi hal tersebut, pada ventilasi udara dipasang alat pernafasan berupa saringan silikagel yang akan menyerap uap air. Bila silikagel

yang berwarna biru sudah jenuh oleh uap air, maka akan terjadi perubahan warna menjadi merah muda, untuk itu harus diaktifkan dengan cara pemanasan pada temperatur 150o-200o C, sehingga warnanya berubah menjadi biru. Selain silikagel, pemeliharaan juga dilakukan pada piringan-piringan berpori dan oil seal

yang berfungsi sebagai filter debu ataupun serangga yang terbawa bersama-sama udara. [1]

2.3.6.4 Tap Changer

Tap changer adalah alat perubah perbandingan transformasi untuk mendapatkan tegangan operasi sekunder yang lebih baik (diinginkan) dari tegangan jaringan/primer yang berubah-rubah. Tap changer yang hanya bisa beroperasi untuk memindahkan tap transformator dalam keadaan transformator tidak berbeban disebut “Off Load Tap Changer” dan hanya dapat dioperasikan manual.

Tap changer yang dapat beroperasi untuk memindahkan tap tarnsformator, dalam keadaan transformator berbeban disebut “On Load Tap Changer” dan dapat dioperasikan secara manual atau otomatis.

Ada dua cara kerja tap changer: (a) mengubah tap dalam keadaan trafo tanpa beban, (b) mengubah tap dalam keadaan trafo berbeban (On Load Tap Changer/OLTC).

Transformator yang terpasang di gardu induk pada umumnya menggunakan tap changer yang dapat dioperasikan dalam keadaan trafo berbeban dipasang di sisi primer. Sedangkan transformator penaik tegangan di pembangkit

atau pada trafo kapasitas kecil, umumnya menggunakan tap changer yang dioperasikan hanya pada saat tenaga beban OLTC terdiri dari:

• Selector Switch.

• Diverter Switch

• Transisi Resistor

Untuk mengisolasi dari bodi trafo (tanah) dan meredam panas pada saat proses perpindahan tap, maka OLTC direndam di dalam minyak isolasi yang biasanya terpisah dengan minyak isolasi utama trafo (ada beberapa trafo yang compartemennya menjadi satu dengan main tank). Karena pada proses perpindahan hubungan tap di dalam minyak terjadi fenomena elektris, mekanis, kimia dan panas, maka minyak isolasi OLTC kualitasnya akan cepat menurun, tergantung dari jumlah kerjanya dan adanya kelainan di dalam OLTC. [2]

2.3.6.5 Indikator

Untuk mengawasi selama transformator beroperasi, maka perlu adanya indikator pada transformator sebagai berikut:

(a) Indikator suhu minyak (b) Indikator permukaan minyak (c) Indikator sistem pendingin (d) Indikator kedudukan tap 2.3.6.6 Peralatan Indikator

Termometer adalah alat pengukur tingkat panas dari trafo baik panasnya kumparan primer dan sekunder juga minyak. Termometer ini bekerja atas dasar air raksa (mercuri/Hg) yang

tersambung dengan tabung penuaian dan tersambung dengan jarum indikator derajat panas.

2.4 Polaritas Transformator

Polaritas trafo adalah tanda pada trafo yang menjelaskan arah relatif dari tegangan induksi dan komponen-komponen arus dalam dua kumparan trafo. Dalam kebanyakan trafo ada suatu bentuk dari tanda pada trafo yang diberikan pada trafo yang diberikan oleh pabrik pembuatannya. Tanda tersebut dikenal sebagai polarity marking. Kumparan-kumparan dari trafo atau mesin-mesin elektrik yang lain diberi tanda untuk menunjukkan polaritas dari terminal-terminalnya. Perhatikan Gambar 2.5 dibawah ini:

1 3

2 4

Gambar 2.5 Polaritas trafo [3]

Terminal 1 dan 3 adalah identik, karena arus-arus yang masuk ke terminal-terminal ini menghasilkan fluksi dalam arah yang sama dalam inti, yang membentuk lintasan magnetik bersama. Dengan alasan yang sama, yang berubah terhadap waktu maka tegangan diinduksikan dalam kedua kumparan ini, maka bila suatu saat tertentu potensial tegangan pada terminal satu adalah positif terhadap terminal 2,maka pada saat yang sama tegangan jepitan pada terminal 3 akan positif terhadap terminal 4. Dengan perkataan lain, tegangan induksi e12 dan e34 adalah sefasa. Terminal-terminal yang identik seperti 1 dan 3 atau 2 dan 4 kadang-kadang diberi tanda “•” atau “±” seperti terlihat pada Gambar 2.5. Ini

dinamakan tanda polaritas dari kumparan. Tanda tersebut menunjukkan arah bagaimana kumparan itu dililitkan pada inti. [3]

2.5 Pendinginan Trafo

Suatu trafo, pada saat beroperasi terdapat rugi-rugi (losses) yang sebagian besar terdapat pada dua jenis material, diantaranya:

1. Rangkaian magnetik: muncul karena adanya variasi dari alternating flux

pada inti magnetik, dimana berhubungan dengan adanya induktansi dan dari tegangan input.

2. Kumparan: sebagai fungsi I2R dari rugi-rugi pada kumparan dan juga adanya rugi Arus Eddy, yang berkaitan dengan arus dan beban.

Selain itu, losses juga terjadi pada interkoneksi, tap changer dan bushing. Fluksi bocor dari kumparan, teminal, dan koneksi dapat juga menimbulkan losses

yang bersifat parasit dengan menginduksi arus eddy pada kumparan magnetik non aktif, seperti tangki konservator, cover, dan lain sebagainya. Sehingga hal ini juga harus diperhatikan diusahakan untuk lebih diturunkan ke titik minimum.

Semua losses ini menimbulkan panas pada peralatan-peralatan trafo, sehingga dibutuhkan metode pendinginan. Nilai kerja dari trafo (pada tegangan dan daya tertentu) sangat berhubungan dengan timbulnya panas, karena pembatasan pada material isolasi yang digunakan, dan bertambahnya derajat temperatur yang sebanding dengan bertambahnya losses I2R.

Transmisi dari panas biasanya dalam beberapa cara, yaitu:

1. Konduksi dari macam-macam peralatan yang digunakan dari dalam trafo ke permukaan.

2. Konveksi dalam dielektrik cair yang mana mentransmisikan panas ke media pendingin pada heat exchanger (untuk trafo tipe basah).

3. Radiasi dalam dielektrik gas yang mana keduanya, isolator dan pembawa panas (untuk trafo tipe kering).

Trafo umumnya diisi minyak sebagai bahan isolasi antara kumparan dengan kumparan dan kumparan dengan kaki. Trafo tenaga umumnya dilengkapi dengan sistem pendingin, yang dimaksudkan agar trafo dapat bekerja sesuai rating yang tertera pada spesifikasinya. Trafo yang dilengkapi pendingin biasanya adalah yang berkapasitas diatas 1MVA. Tipe pendingin trafo adalah secara alami dan paksaan, yaitu menggunakan riben (sirip), radiator dan bantuan motor kipas untuk menghasilkan debit udara yang lebih besar untuk dialirkan ke trafo. Banyaknya riben atau motor-motor yang terpasang sesuai dengan kapasitas trafo dan permukaan yang didinginkan.

Trafo kecil sampai rating 25kVA adalah tipe kering. Arus udara konveksi dan radiasai dari tangki trafo adalah cukup untuk mempertahankan temperatur dalam batas yang diijinkan. Kebanyakan trafo adalah direndam dalam minyak. Inti dan kumparan secara menyeluruh direndam dalam minyak mineral. Minyak adalah baik untuk bahan isolasi dan memberikan dispasi panas yang baik daripada udara. [3]

2.5.1 Trafo Minyak dengan Pendingin Sendiri

Panas yang timbul dalam kumparan sebagai akibat dari adanya pembebanan disalurkan dari tangki transformator ke atmosfer yang dilakukan melalui proses alami. [3]

2.5.2 Trafo Minyak dengan Pendingin Udara secara Paksaan (ONAF)

Transformator ini juga dibenamkan dalam minyak. Suatu saat, transformator bekerja dengan temperatur yang semakin tinggi dan tidak dapat diturunkan secara alami. Sehingga pendinginan diperbaiki lebih lanjut oleh udara yang dihembuskan pada seluruh permukaan luar transformator. [3]

2.5.3 Trafo Minyak dengan Pendingin Air (ONAN)

Tabung-tabung metal ditempatkan di dalam tangki, dibawah permukaan minyak. Air disirkulasikan melalui pipa-pipa untuk mengeluarkan panas dalam minyak. [3]

2.5.4 Trafo Minyak dengan Pendinginan Minyak secara Paksa (OFAF)

Metode ini menggunakan sirkulasi minyak yang dialirkan dengan bantuan pompa. Minyak dipompakan melalui saluran dan kemudian melalui radiator luar, yang didinginkan pula dengan kipas. Peralatan pompa minyak menambah biaya, tetapi pendinginan akan berlangsung lebih efektif. Perbedaan temperatur antara minyak pada bagian atas dan bawah lebih kecil.[3]

2.6 Trafo Ideal

Pada awalnya, suatu trafo dianggap ideal, yakni suatu trafo yang sangat sempurna, yang tidak mempunyai rugi-rugi didalamnya. [3]

2.6.1 Kondisi Trafo Ideal

Trafo dianggap sebagai trafo ideal bila memenuhi syarat sebagai berikut : • Kurva magnetisasi untuk inti adalah linear

• Rugi besi (rugi hysterisis dan eddy current) diabaikan • Tahanan kumparan diabaikan

• Tidak ada fluksi bocor 2.6.2 Trafo Ideal Tidak Berbeban

Misal kontak S (Gambar 2.6) dalam keadaan terbuka. Bila tegangan sinusoidal Vp dihubungkan pada sisi primer maka arus magnetisasi im, yang juga

sinosoidal mengalir dalam kumparan primer. Arus ini akan menimbulkan mmf

pada kumparan primer, yang juga sinusoidal yang dinyatakan oleh : �� =�� ��………..……….(2.2) dimana : �� = mmf pada sisi primer

Np = jumlah belitan pada kumparan primer

Gambar 2.6 Trafo ideal dalam keadaan tidak berbeban [3]

mmf ini akan menghasilkan ø_{, yang juga sinusoidal, yang dinyatakan oleh :}

ø = ø_{makssin wt…..………..……(2.3)}

dimana :

ø = _{fluksi yang dihasilkan kumparan primer} ø_{maks= fluksi maksimum}

w = frekuensi sudut dalam rad/sek yang dinyatakan oleh: w = 2πf

Fluksi ini dicakup oleh kumparan primer dan sekunder, sehingga dibangkitkan tegangan induksi pada kedua kumparan tersebut. Tegangan induksi pada kumparan primer dan sekunder tersebut adalah :

�� =−�_��∅

�� = −���∅maks cosωt………(2.4)

�� =−���∅_�� =−���∅maks cosωt………..………(2.5)

dimana :

ep= tegangan induksi pada kumparan primer

es = tegangan induksi pada kumparan sekunder

Perbandingan transformasi antara tegangan induksi di primer dan sekunder adalah:

��

�� =

��

�� = �………(2.6)

dimana:

� = rasio transformasi

Ep= harga efektif dari tegangan induksi primer

Es= harga efektif dari tegangan induksi sekunder

Tegangan induksi rms pada kumparan primer dan sekunder adalah:

�� =��−����

√2 = √2 ����∅����………(2.7)

�� =��−����

√2 = √2 ����∅����………(2.8)

2.6.3 Trafo Ideal Berbeban

Bila kontak S ditutup, seperti terlihat dalam Gambar 2.7, maka trafo terhubung dengan beban. Karena tahanan kumparan adalah 0, maka :

Gambar 2.7 Trafo ideal dalam keadaan berbeban [3]

Vs = Es……….………(2.9)

dimana : Vs = tegangan jepitan rms dari kumparan sekunder.

Untuk trafo ideal, Im = 0 :

��

�� =

��

�� =

��

�� =

��

2.6.4 Karakteristik Trafo Ideal

Trafo ideal mempunyai karakteristik sebagai berikut :

I. Tegangan pada kumparan-kumparan dari trafo ideal berbanding lurus dengan jumlah belitan dari kumparan-kumparannya.

��

�� =

��

�� =

��

�� = �……….………(2.11)

II. Arus dalam kumparan-kumparan trafo ideal berbanding terbalik dengan jumlah belitan dari kumparan-kumparannya.

��

�� =

��

�� =�………….………(2.12)

III. Dari persamaan diatas, maka didapat :

vp ip = vs is……….………(2.13)

atau

Vp Ip = Vs Is………(2.14)

Jadi, daya input sesaat dari trafo ideal sama dengan daya output sesaat dari trafo tersebut. [3]

2.7 Trafo Tidak Ideal 2.7.1 Arus magnetisasi

Arus magnetisasi adalah arus yang menghasilkan mmf, yang selanjutnya menghasilkan fluksi. Ditinjau dari gambar rangkaian dibawah, bila rangkaian primer diberi tegangan ac satu-fasa, vp, maka arus magnetisasi, im, akan mengalir

melalui kumparan primer. Arus magnetisasi ac ini akan menyebabkan loop

Gambar 2.9 Loop histerisis dari trafo tidak ideal [2] Fluksi yang dihasilkan oleh arus magnetisasi dapat dinyatakan oleh :

�� = ∅ �_��………(2.15)

Bila kumparan medan mendapatkan penguatan oleh arus ac, maka akan terjadi loop histerisis. Loop histerisis yang terjadi akan menimbulkan kerugian histerisis. Disamping itu, fluksi yang terjadi didalam inti trafo akan menyebabkan jugi rugi arus eddy yang akan menimbulkan rugi daya arus eddy. Kedua rugi ini dikenal sebagai rugi inti. Dimana rugi inti dapat dituliskan sebagai :

Pc = Ph + Pe………(2.16)

dimana : Pc = rugi inti Ph = rugi hysterisis Pe = rugi arus eddy

Rugi besi dapat dinyatakan sebagai rugi pada tahanan fiktif Rc dengan Ic yang

melewati tahanan tersebut. Karena itu arus tersebut dapat dinyatakan dengan: �� =_���

1 =�

2

���………(2.17)

dari persamaan diatas didapat bahwa arus rugi besi adalah sefasa dengan tegangan induksi ep pada sisi primer. [2,3]

2.7.2 Arus Eksitasi

Arus eksitasi adalah arus yang mengalir dalam kumparan primer dari trafo dalam keadaan tidak berbeban. Arus ini terdiri dari dua komponen, yakni arus magnetisasi dan arus rugi inti. Arus rugi inti adalah komponen yang menghasilkan rugi daya inti. Arus eksitasi dinyatakan dengan : [3]

ie = ic + im………..………(2.18)

2.8 Rangkaian Ekivalen Trafo

Dalam pembahasan ini akan dijelaskan tentang rangkaian ekivalen trafo, yang merupakan rangkaian pengganti seperti yang terlihat pada Gambar 2.9, yang bisa digunakan untuk melakukan analisis terhadap kinerja trafo. Rangkaian ini dibentuk dengan menghilangkan rangkaian magnetik dari trafo, sehingga terjadilah rangkaian ekivalen dari trafo yang lebih sederhana, yang hanya terdiri dari rangkaian elektrik saja. [3]

Gambar 2.9 Gambar rangkaian ekivalen transformator [3] 2.9 Rating Trafo

Rating trafo adalah harga maksimum yang diijinkan pada saat trafo dioperasikan. Bila harga rating dilampaui dalam waktu operasi yang lama, maka akan terjadi kerusakan, sehingga umur dari trafo menjadi berkurang.

Tiap pabrik dari trafo memasang plat nama (name plate) yang ditempelkan pada bagian luar dari trafo. Plat nama berisikan informasi tentang rating output daya,

rating tegangan, rating frekuensi, dan lain sebagainya. Plat nama pada trafo beri informasi seperti berikut : 20 kVA, 3500/ 220 V, 50 Hz

Disini, 20 kVA adalah rating output daya pada terminal sekunder. Perlu dicatat bahwa rating output dinyatakan dalam kVA, dan bukannya dalam kW. Ini disebabkan oleh kenyataan bahwa rating output pada trafo dibatasi oleh pemanasan dan karenanya oleh rugi daya dalam trafo. Rugi trafo ini terdiri dari tegangan trafo (rugi besi) dan arus (rugi I2R) dan hampir tidak disebabkan oleh faktor kerja. Sebagai konsekuensinya rating output dinyatakan dalam kVA dan bukan dalam kW. Pada faktor kerja nol, trafo dapat dioperasikan pada kV rated, dengan daya nol.[3]

2.10 Rugi-rugi Trafo

Rugi-rugi daya transformator berupa rugi inti atau rugi besi dan rugi tembaga yang terdapat pada kumparan primer maupun kumparan sekunder. Untuk memperkecil rugi-rugi tembaga harus diambil kawat tembaga yang penampangnya cukup besar untuk mengalirkan arus listrik yang diperlukan. Pada keadaan tanpa beban, besarnya daya adalah ;

P = V I cos∅………(2.19) Dimana, cos∅ = faktor kerja

Dari persamaan diatas didapat:

S = √3 VI……….………(2.20) Maka,

cos∅= _��(�)

Tujuan utama dari perancangan listrik adalah untuk mengurangi berbagai kerugian, yang mana walaupun dalam presetasi adalah kecil, mungkin harganya sangat besar pada transformator yang lebih besar. Adapun rugi-rugi transformator antara lain :

2.10.1 Rugi Tembaga ( �_�� )

Rugi ini disebabkan arus beban mengalir pada kawat tembaga, dapat ditulis sebagai berikut :

��� = �2�………..………(2.22) Karena arus beban berubah-ubah, maka rugi tembaga pada setiap perubahan beban dapat ditentukan dengan persamaan:

��2 = ��2

�1�

2

x �_�1………(2.23) Keterangan :

Pt2 = Rugi−rugi tembaga pada saat pembebanan tertentu

Pt1 = Rugi−rugi tembaga beban penuh

S2 = Beban yang dioperasikan

S₁ = Nilai pengenal

2.10.2 Rugi Besi (�_�)

Sedangkan untuk rugi-rugi inti (rugi besi) dalam keadaan normal selalu konstan tidak tergantung terhadap besarnya perubahan beban dan rugi ini dapat dikelompokkan dalam dua bagian yaitu:

a. Rugi Histerisis (�_�)

Rugi ini akibat dari inti besi menerima fluksi bolak-balik, yang dinyatakan dengan persamaan:

dimana:

f = frekuensi jala-jala (Hz) B = kerapatan fluksi (Tesla)

H = intensitas medan magnet (A/m)

Atau

Ph = Kh f B*maks (Watt/ m3) ………..……..………(2.25) dimana :

Kh = konstanta histerisis

* = konstanta histerisis tambahan yang besarnya antara 1,6-3,0 Bmaks = kerapatan fluksi maksimum

b. Rugi-rugi Arus Pusar (Eddy current) Pe

Pe = Ke f2 B2maks ( watt/ m3) ………(2.26) dimana :

Ke = konstanta arus pusar f = frekuensi jala-jala t = ketebalan laminasi

Bmaks = kerapatan fluksi maksimum

Jadi rugi-rugi inti dapat dihitung dengan menjumlahkan rugi-rugi hysteresis dengan rugi-rugi arus pusar sebesar : [3,4]

Pi = Ph + Pe ………(2.27) 2.11 Efisiensi Trafo

Efisiensi menunjukkan tingkat keefisienan kerja suatu peralatan dalam hal ini transformator yang merupakan perbandingan rating output (keluaran) terhadap input (masukan) dan dinyatakan dengan persamaan dibawah ini:

� = � �0

�0+ Σ����� x 100% ………(2.28)

dimana;

�0 = daya keluaran (output) �� = daya masukan (input)

Σ����= �_��+ �_� ………(2.29) dimana:

��� = Rugi tembaga �� = Rugi Besi

Jika dimisalkan daya keluaran adalah �₂�₂ cos� dan rugi-rugi adalah rugi besi (�₁) sedang rugi-rugi tembaga (�_��) dinyatakan dengan �2�2_�� , maka efisiensi dapat dinyatakan :

� = �2�2 cos�

�2�2cos�+�22�2�� + �_�………(2.30)

Agar efisiensi maksimum : �

��2��2�2�� +

��

�2�

= 0……….………(2.31) Jadi,

�2�� = _���

22

……….………(2.32) �� = �22�2�� = ��� ……….…………(2.33) Artinya, untuk beban tertentu, efisiensi maksimum terjadi ketika rugi tembaga = rugi inti.[4]

2.12 Testing Trafo

2.12.1 Tes Hubungan Terbuka

Dalam tes ini, tegangan rating dipasangkan pada suatu kumparan, biasanya kumparan dengan tegangan rendah untuk alasan keselamatan, sedangkan kumparan lain dibiarkan terbuka. Arus beban nol relatif kecil (2-6 % dari arus

rating), sehingga rugi tembaga bisa diabaikan selama tes. Karena itu daya input yang diberikan kepada trafo menyatakan rugi inti semata. Diagram dari rangkaian pengukuran dilukiskan dalam Gambar 2.10. Dalam diagram ini, Wattmeter menunjukkan rugi inti. Voltmeter akan membaca tegangan rating, yang bersama dengan pembacaan amperemeter akan memberikan data yang perlu untuk mendapatkan informasi tentang cabang magnetisasi, bila diperlukan.

(a) rangkaian untuk tes (b)rangkaian ekivalen untuk hubungan terbuka Gambar 2.10 Diagram untuk tes hubungan terbuka [3]

Rugi inti bisa diukur pada sisi lain dari trafo. Misalkan suatu trafo 2400/240 V dilakukan pengetesan, tegangan akan dipasangkan pada sisi sekunder, karena tegangan 240 V umumnya telah tersedia. Bila tegangan untuk tes lebih kecil dari 240V, bila dipasang autotrafo untuk maksud itu, rugi inti yang diukur pada salah satu sisi trafo adalah sama. Karena tegangan 240V dipakai pada kumparan yang mempunyai jumlah belitan yang lebih kecil daripada kumparan dengan tegangan tinggi. Jadi rasio volt/belitan adalah sama. Ini berarti bahwa harga maksimum dari inti adalah sama untuk tiap keadaan, dimana rugi inti

Pembacaan ammeter menunjukkan arus nol beban nol atau arus eksitasi Ie. Karena

arus eksitasi masih kecil, maka drop tegangan pada impedansi bocor diabaikan. Dan untuk praktis, rangkaian ekivalen trafo pada pengetesan dimodifikasi ke dalam rangkaian Gambar 2.11, maka:

Pc = V1 Iecos�0………(2.34)

dimana :

V1 = tegangan rating

Ie= arus eksitasi (arus hub terbuka)

Pe = rugi besi

Faktor kerja dari trafo adalah :

cos�0 = ��

�1��

………(2.35) Maka, dari Gambar (b) dapat dituliskan persamaan berikut ini :

Ic = Iecos�0……….………(2.36)

Im = Iesin�0………..………(2.37)

Arus pada tahanan Rc adalah :

��� = �21

�� =

��

(_�� cos�0)2=

�1

��………(2.38)

Dan reaktansi magnetisasi Xm adalah :

��� = _��_�1………(2.39)

Subscript L pada Rcdan Xm digunakan semata-mata untuk memberikan penekanan

bahwa harga tersebut untuk sisi tegangan rendah. Perlu diingat bahwa harga Rc

dan Xm secara umum, ditinjau dari sisi dimana alat-alat ukur ditempatkan (dalam

sekunder yang terbuka, agar menentukan rasio transformasi. Jadi tes hubungan terbuka memberikan informasi sebagai berikut : [3]

• Rugi inti pada tegangan rating

• Parameter pada cabang magnetisasi pada tegangan dan frekuensi rating, yakni Rc dan Xm

• Rasio transformasi dari transformator.

2.12.2 Tes Hubung Singkat

Tes kedua yang dibutuhkan untuk menentukan parameter rangkaian ekivalen adalah tes hubungan singkat, dimana diagram rangkaian pengetesan digambarkan dalam Gambar (a). Dalam gambar tersebut, terlihat bahwa kumparan dengan tegangan rendah dihubung singkat. Tegangan pada kumparan dengan tegangan tinggi diatur sehingga arus rating mengalir dalam ammeter. Dalam kondisi ini, impedansi trafo semata-mata aadalah impedansi ekivalen, seperti terlihat dalam Gambar 2.11. Pelaksanaan testing dengan tegangan tinggi adalah salah satu cara yang paling sesuai karena tegangan yang dipakai bisa diatur hanya beberapa persen dari tegangan rating. Jadi dengan pengukuran trafo dari 2400/240 V adalah lebih mudah dan akurat berhubungan dengan 5% dari 2400V V=120 daripada dengan tegangan 5% dari 240V=12 V.

(a) rangkaian untuk tes (b) rangkaian ekivalen untuk hubungan tertutup Gambar 2.11 Diagram untuk tes hubungan tertutup[3]

Dengan menurunkan arus primer besar sekali, maka fluksi akan turun dalam jumlah yang sesuai. Karena rugi inti agak berbanding lurus dengan kuadrat dari fluksi, dia secara praktis mempunyai harga nol. Jadi, wattmeter yang dipakai untuk mengukur daya input hanya akan mencatat rugi tembaga saja, daya output adalah nol. Dari data input watt, arus dan tegangan, resistansi dan reaktansi ekivalen bisa dihitung, semua dalam sisi tegangan tinggi.

Pembacaan alat ukur bisa dikoreksi bila dibutuhkan. Misal Vsc, Isc dan Psc adalah pembacaan voltmeter, ammeter dan wattmeter, maka dari Gambar 2.12 berlaku:

Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen untuk hubungan tertutup[3]

���� = �_����� ………(2.40) ���� = _��2��

��……….………(2.41)

���� = ��2��� − �2���………(2.42) Disini RekH, XekH, ZekH berturut-turut adalah tahanan ekivalen, reaktansi

ekivalen, dan impedansi ekivalen ditinjau dari sisi tegangan tinggi. Parameter-parameter ini dapat juga dinyatakan dalam sisi tegangan rendah bila dikehendaki. Dalam analisis dari rangkaian ekivalen trafo, harga dari tahanan ekivalen dan reaktansi ekivalen ditinjau dari sisi yang lain digunakan. Namun, bila parameter

impedansi bocor untuk kedua sisi primer dan sekunder dipisahkan, maka diambil: [3]

R1 = R2 = Rek / 2………(2.43)

BAB 3

SISTEM PENDINGIN TRANSFORMATOR

3.1 Metode Pendinginan dan Klarifikasi dari Peralatan

Sistem pendingin dari suatu trafo terdiri dari sistem pendingin internal dan eksternal. Sistem pendingin internal adalah sistem dengan menggunakan suatu media pendingin oleh minyak untuk dapat mendinginkan kumparan dan inti besi, sedangkan sistem pendingin eksternal adalah suatu sistem (tambahan) dari luar/lingkungan yang digunakan untuk membantu pendingin internal untuk dapat lebih menurunkan temperatur. Media yang digunakan biasanya memakai udara atau air.

Tabel (3.1) Klasifikasi metode pendinginan transformator[2]

No

Macam sistem pendingin

MEDIA Didalam

Transformator Diluar Transformator Sirkulasi

alami

Sirkulasi paksa

Sirkulasi alami

Sirkulasi paksa

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

8 ONAN/ONAF Kombinasi 3 dan 4

9 ONAN/OFAN Kombinasi 3 dan 5

10 ONAN/OFAF Kombinasi 3 dan 6

Keterangan :

• AN = Air Natural Cooling, pendinginan dengan udara biasa Pendingin Alam

• ON = Oil Immersed Natural Cooling, pendinginan dengan direndam ke dalam minyak

• ONAN = Oil Natural Air Natural, pendinginan dengan air dan minyak • OFN = Oil immersed Forced Oil Circulation, pendinginan dengan

direndam ke dalam minyak yang dialirkan

• OFB = Oil-immersed Forced-oil Circulation with Air-blast Cooling,

pendinginan dengan direndam ke dalam minyak yang dialirkan dengan hembusan udara.

Pendingin Buatan (udara)

• OB/ONAF = Oil-immersed Air-blast Cooling/Oil Natural Air Force, pendinginan dengan direndam kedalam minyak dan dihembuskan udara • AB = Air-blast Cooling, pendinginan dengan udara yang dihembuskan. • OW = Oil-immersed Water Cooling, pendinginan dengan direndam

minyak dan juga dibantu dengan air

• OFW = Oil-immersed Forced-oil circulation with Water cooling, pendinginan dengan direndam kedalam minyak yang dialirkan dan juga dibantu dengan pendinginan air

Tabel 3.2 Rating Sistem Isolasi Transformator [5]

Kelas Kenaikan Temperatur maksimum transformator Temperatur maksimum ambient Toleransi temperatur tertinggi A E B H

55 oC 80 oC 115 oC 150 oC

40 oC 40 oC 40 oC 40 oC

10 oC 30 oC 30 oC 30 oC

3.2 Sistem Pendingin pada Transformator

Sebagian besar transformator yang banyak digunakan dalam suatu jaringan adalah trafo tipe basah, dengan material yang dicelupkan kedalam minyak. Fungsi minyak selain sebagai isolasi, juga sebagai pendingin dan kemudian minyak didinginkan dengan menggunakan udara ataupun air, baik secara alami maupun dengan tekanan/paksaan. Transfer panas dari materialaktif ke udara terjaadi dalam dua tahap, yaitu dari material ke minyak, dan dari minyak ke permukaan (dinding trafo) yang berhubungan langsung dengan udara luar. Pergerakan fluida yang terjadi (untuk minyak) bisa secara natural maupun secara paksaan. [2,3]

3.3 Metode Konstruksi dan Karakteristik Operasi Trafo

Semakin besar kapasitas dari trafo daya, maka bentuk konstruksinya dari masalah pendinginan dan hal-hal lain menjadi lebih kompleks. Untuk range yang lebih rendah, biasanya hanya menggunakan pendinginan secara natural. Selain dengan adanya penambahan tangki yang disediakan dengan dilengkapi pipa dan radiator, metode konstruksi yang lain secara rasional juga harus dikembangkan.

Hal ini, misalnya dapat dilakukan yaitu dengan membuat dinding tangki berbahan/lapisan steel dan diatur sedemikian rupa untuk menambah permukaan dispasinya.

Untuk trafo yang lebih besar, sekitar 5000 kVA, pendinginan dilakukan dengan radiator yang terdiri dari flat dengan lebar 300-500 mm dimana panas dapat terdistribusi secara langsung ke tangki, atau terhubung ke pipa kerja, dan disediakan pula valve, bila dimensi melebihi daya angkut yang telah diperkirakan. Untuk trafo besar dengan daya diatas 100 MVA, radiator dapat dipasang dengan konstruksi peletakan yang terpisah, jauh dan dapat juga diletakkan diatas trafo. akan tetapi, tipe ini jarang digunakan pada trafo yang diletakkan di area yang kurang luas. Ketika daya bertambah besar, radiatornya juga semakin besar dan tentunya menghabiskan tempat. Koneksi ke tangki menyebabkan permasalahan dan selain itu juga menyebabkan outputnya menjadi berkurang, sehingga penambahan kipas dalam kondisi ini diperlukan, dimana diharapkan dapat mendisipasi losses dua kali lipat, dan sebagai konsekuensi positifnya, ukuran serta berat dari trafo berkurang.

Suatu trafo yang didesain untuk memberikan daya penuh dengan menggunakan ventilasi secara paksaan, dapan mensuplai 50-60% dari daya tersebut menggunakan pendingin natural, dimana saat kipas dalam posisi standby. Metode ini memungkinkan dalam penghematan energi untuk mengendalikan kipas dalam periode dari permintaan daya yang berkurang, atau pada saat temperatur lingkungan yang rendah. Dan ketika permintaan daya ataupun beban menjadi lebih besar, misalkan sampai dengan 85%, maka kipas akan berputar untuk mendinginkan trafo sebagai akibat dari adanya kenaikan temperatur yang

cukup signifikan. Kipas dapat berputar dan berhenti dengan menggunakan suatu thermostat dengan jalan memperhatikan temperatur dan dibantu dengan pedeteksian oleh rele thermal terhadap kenaikan temperatur dari minyak trafo. Gangguan kipas dapat terjadi dan menyebabkan permasalahan tersendiri. Akan tetapi, mungkin dapat dikurangi ataupun dicegah dengan memberikan perhatian secara baik terhadap profil dan jumlah dari mata kipas, kecepatan rotasi dan suspensinya, serta perawatan secara berkala. [3,4]

3.4 Kontrol Pendinginan

Dengan suhu yang abnormal, sinyal diberikan oleh kontak elektris yang terhubung dengan thermometer, atau dengan adanya thermostat yang dipasang terpisah. Trafo dengan ventilasi secara paksaan beroperasi secara umum dengan dua atau bahkan tiga tahap pendinginan, berdasarkan temperatur yang terjadi. Pendinginan secara natural terjadi pada saat temperatur dari minyak tidak melebihi 60oC. Diatas temperatur tersebut, maka thermostat akan menyalakan kipas, kemungkinan pula dalam beberapa tahap, berdasarkan daya yang tercapai pada saat trafo beroperasi.

Untuk memungkinkan temperatur dari kumparan dapat dikontrol secara langsung, suatu alat yang dinamakan “thermal image” telah dikembangkan, terdiri dari resistor yang disuplai oleh arus secara proporsional kedalam kumparan dan dipompa pada suatu wadah didalam minyak pada bagian atas dari trafo. Hal ini dapat mensimulasikan bagaimana kondisi pada titik terpanas. Peralatan lain, yaitu

dapat diindikasi dengan thermometer maupun thermostat. Thermal image dipakai pada industri yang membutuhkan penyesuaian dengan karakteristik dari trafo. Untuk pemilihan tipe pendinginan berdasarkan besarnya daya dari trafo, maka diperlukan pengkondisian instalasi secara lokal dan metode operasinya. Pendingin secara natural merupakan pendinginan yang paling ekonomis untuk data kecil atau medium sampai dengan 5 MVA. Pendinginan tambahan tentunya akan menambah pengeluaran biaya. Dalam hal perawatan dan perbaikannya, trafo dengan pendingin jenis ini juga termasuk yang paling murah.[3]

3.5 Kipas Pendingin

Kipas pendingin terdiri dari sirip-sirip yang secara langsung saling berhubungan yang ujung-ujungnya terhubung ke besi baja, seperti yang terlihat dalam gambar 3.1 berikut.

Gambar 3.1 Kipas Pendingin[3]

Sirip tersebut didesain dengan tujuan mengalirkan udara secara optimum dan karakteristik tekanan angin dengan noise yang minimum, mempertimbangkan bentuk untuk detail, lengkungan, sudut, bahan dan kekuatan dari kipas tersebut.

Motor yang digunakan adalah model sangkar tupai, dan memanfaatkan bola bearing tipe tertutup yang ditujukan untuk penggunaan jangka panjang, sanggup dipakai hingga 20.000 jam pada saat operasi dibawah kondisi normal. Pemberian minyak lubrikasi tidak diperlukan selama masih dipakai tipe bola bearing tertutup, kecuali jika memang tidak digunakan bola bearing. Kipas pendingin dapat bersifat

water proofed secara sempurna, dikarenakan atas adanya seal minyak berbahan karet sintetis pada tangkainya, segel minyak pada permukaan dari kepala motor, dan gasket pada kawat kumparannya.

Suatu transformator dengan besar rugi-rugi tertentu, membutuhkan debit udara sesuai dengan yang diinginkan, sebagai akibat dari adanya kenaikan temperatur. Dengan diberikan tekanan berupa aliran udara pada transformator, maka diharapkan dapat menurunkan temperatur dari transformator tersebut.

Besar debit udara yang dibutuhkan adalah :

� = ��

���∆� = �0

��

∆�………(3.1)

dengan:

�0 = 1

���……….………(3.2)

dimana:

Q = debit aliran udara (m3/s)

K = konstanta (berubah sesuai dengan kenaikan temperatur)

PT = total losses (kW)

� = massa jenis udara (saat T = 0oC, � = 1,293 kg/m3)

CP = koefisien pemanasan udara [saat T=0oC, Cp = 1,004 kWs/(Kg.K)]

∆� = selisih antara temperatur minyak saat kondisi normal (Tn1) dan

Angka 0 (nol) pada K menunjukkan besarnya temperatur. Ko berarti

konstanta untuk temperatur sebesar 0oC. Ketika dikondisikan dalam berbagai variabel beban, dimana menmberikan nilai kenaikan temperatur yang berbeda-beda pula, maka besarnya K sudah tidak spesifik lagi, dan harus dihitung dengan persamaan:

�∆� = ∆�₂₇₃+273………(3.3)

Besar daya motor dari kipas yang digunakan untuk mendinginkan transformator, yaitu:

�� = �_��_��………(3.4)

dengan : Q = debit aliran udara (m3/menit)

Pm = daya motor kipas (W)

p = tekanan nominal (mbar)

nm = efisiensi motor kipas (dipakai nm = 0,2)

Perlu diketahui bahwa analisis dengan menggunakan persamaan-persamaan diatas ditujukan untuk trafo pasangan luar, dimana terutama tekanan nominal untuk kedua tipe trafo (pasangan luar maupun pasangan dalam) berbeda. Sedangkan untuk trafo pasangan dalam, metode analisis akan dibahas dalam sub bab berikutnya. [3,6]

3.6 Perubahan Resistansi terhadap Temperatur Variabel

Trafo juga mempengaruhi seberapa baik kualitas daya yang dapat dikirimkan ke konsumen. Semakin kecil rugi-rugi pada trafo, maka tingkat keandalan peralatan ini juga semakin baik. Akan tetapi, pada kenyataannya tidaklah demikian, maka efisiensinya juga menurun. Hal ini disebabkan karena pada saat pembebanan, selain semakin besarnya arus beban, juga terjadi peningkatan temperatur didalam trafo. Semakin tingginya temperatur, maka menyebabkan semakin tinggi pula resistansi dari trafo. Hal ini sesuai dengan persamaan berikut ini :

� = �0� [1 + �(� − �0)]………(3.5)

dimana : R = resistansi pada temperatur akhir Ro= resistansi pada temperatur awal T = temperatur akhir

To = temperatur awal

� = koefisien temperatur dari resistansi.

Beberapa macam koefisien temperatur dari resistansi pada material konduktor Tabel 3.3 Koefisien temperatur dan resistansi pada material konduktor [5]

Material Koefisien temperatur, ohm/oC

Aluminium Antimonium Bismut Kuningan Tembaga Silver Besi Magnesium Mercury Nikel Platinum 0,0039 0,0036 0,004 0,002 0,00382 0,0038 0,005 0,004 0,00089 0,006 0,003

Perubahan resistansi inilah yang menyebabkan rugi-rugi trafo, khususnya rugi tembaga semakin tinggi, sebanding dengan peningkatan beban pada trafo. [5,6]

3.7 Kenaikan Temperatur terhadap Perubahan Beban dalam Sistem

Rugi-rugi daya pada transformator yang diubah dalam bentuk panas, berpengaruh terhadap kenaikan temperatur dari transformator tersebut. Semakin besar beban yang diterima, maka temperatur juga akan semakin tinggi.

Kenaikan temperatur minyak transformator pada berbagai kondisi pembebanan dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut :

TF(fl) = Tfl - Ta……….………(3.6)

TF = TF(fl)�_{����� ��������}��_{����� ���� ℎ}�

�

………(3.7)

Tn = TF - Ta……….………(3.8)

dimana :

TF(fl) = kenaikan temperatur minyak saat beban penuh

Tfl = temperatur minyak saat beban penuh

Tn = temperatur minyak akhir

Ta = temperatur lingkungan

TF = kenaikan temperatur minyak trafo saat terjadi pembebanan yang

berubah-ubah

m = 0,9 untuk trafo tipe ONAF

PT = total rugi-rugi (dalam kW) pada beban S

Nilai TF berubah-ubah dengan beban S yang bervariasi. Dan dengan

mengetahui besar rugi tembaga saat beban penuh dan rugi inti, maka dapat ditentukan rugi-rugi daya saat transformator menerima beban, dengan substitusi

dari tes yang telah ada. Besarnya PT untuk beban S dapat diketahui dengan

persamaan :

�� = ��_����

���

2

(�_��) +��_����………(3.9) dimana : [6]

S = beban transformator (kVA)

kVAfl = beban penuh (kVA)

Pcu = rugi tembaga saat beban penuh (kW)

BAB 4

ANALISIS PERHITUNGAN DATA TRAFO

4.1 Umum

Sebelum menganalisis trafo, maka dibutuhkan data-data transformator yang dapat menunjang dalam perhitungan. Data-data ini diambil dari Gardu Induk , yang terdapat dalam manual book transformator tersebut.

Gambar 4.1 .Transformator Unit 1 PLTU Labuhan Angin, Sibolga Tabel 4.1: Name Plate Transformator

Trafo Unit 1 PLTU Labuhan Angin, Sibolga Type and model

MVA rating Tegangan Primer Tegangan Sekunder Frekuensi

Tipe Transformator Impedansi

Pendinginan

SFPZ10-150000/157.5TH 150MVA

150 kV 20 kV 50 Hz 3 phasa

12.0 % (75oC ) ONAN / ONAF

4.2 Data Percobaan Transformator

Diketahui pada saat pengujian transformator (dari manual book) didapatkan beberapa data seperti dalam tabel berikut:

Tabel 4.2 Urutan Tap changer Gardu Induk PLTU Labuhan Angin, Sibolga Rasio Transformasi

OLTC

(Posisi tap) Voltage (V)

α

(teori)

1 181125 9,0562

2 179156 8,9578

3 177188 8,8590

4 175219 8,7609

5 173250 8,6625

6 171281 8,5640

7 169313 8,4656

8 167344 8,3672

9 165375 8,2687

10 163406 8,1703

11 161438 8,0719

12 159469 7,9734

13 157500 7,8750

14 155531 7,7765

15 153563 7,6781

16 151594 7,5797

Dalam analisis yang akan dilakukan, data yang dipakai adalah data yang diambil utnuk posisi tap changer (OLTC) 17. Hal ini dilakukan untuk memudahkan dalam menganalisis transformator tersebut.

Tabel 4.3 Data Tes Tanpa Beban dan Tes Hubung Singkat Transformator

OLTC 17 Tanpa Beban

Tegangan 20

Arus 1,035

Daya 9,24

Rugi Besi 28,88

OLTC 17 Hubung Singkat

Tegangan 13,8

Arus 179,64

Daya 16883,66

Rugi Tembaga 410,52

Tabel 4.4 Data rugi-rugi transformator Data Rugi-Rugi Transformator

Suhu 26,8oC 75 oC

• WTot 380000 420000

• Stray Losses 90000 84000

Diketahui, pengujian ini dilakukan saat temperatur ruangan (sebagai temperatur acuan ) Ta= 26,8oC. Untuk data dalam tabel rugi-rugi transformator diukur dalam kondisi temperatur 26,8 oC (tanpa beban) dan temperatur 75 oC (beban penuh), dan dengan posisi tab OLTC 17.

4.3 Analisa dari Rangkaian Ekivalen Transformator

Sebelum menganalisis lebih lanjut, maka perhitungan awal yang dilakukan adalah mendapatkan parameter-parameter transformator, yaitu berdasarkan rangkaian ekivalen transformator. Dari data tegangan rating transformator dapat diperoleh besarnya rasio transformasi tegangan dengan persamaan (2.11) sebagai berikut:

� =��

�� =

150 �� 20 �� = 7,5

• Tes tanpa beban

(a) (b)

Gambar 4.2 Diagram untuk tes hubungan terbuka: a. Rangkaian untuk tes

b. Rangkaian ekivalen untuk hubungan terbuka

Dari tes beban nol ( tanpa beban ) diketahui dari persamaan(2.34) tes hubungan terbuka sebagai dasar perhitungan rugi inti, yaitu:

�� = �1��cos�0 Sehingga, dapat diketahui besarnya cos�0 :

cos�0 = ��

�1�� =

9240

28880 � 1,035= 0,309

�0 = 72°�

Setelah didapatkan cos�0, kemudian dapat diketahui besarnya �_� ����� dengan menggunakan persamaan (2.36) dan (2.37) ,yaitu:

o Arus magnetisasi

�� =�� � cos�0 = 1,035 � cos 72℃

= 0,319 ������

o Arus rugi inti

�� = �_� � sin�0 = 1,035 �sin 72℃ = 0,984 ������

Dari hasil perhitungan diperoleh arus Ic dan arus Im, dimana arus ini merupakan arus yang timbul akibat adanya magnetisasi pada inti besi transformator.

Selanjutnya, didapat perhitungan besarnya rugi-rugi besi dengan menggunakan persamaan untuk tes beban nol (tanpa beban). Mula-mula dihitung besar resistansinya, yaitu dengan persamaan (2.38) yaitu:

�� = �_�1 � =

20 ��

0,984 = 20325 �ℎ�

Dan besar reaktansi dapat diketahui dengan persamaan (2.39) yaitu: �� = _��_�1 = 20 _0,319�� = 62696 �ℎ�

(a) (b)

Gambar 4.3 Diagram untuk tes hubungan tertutup: (a) rangkaian untuk tes (b) rangkaian ekivalen untuk hubungan tertutup

Dari tes hubung singkat, dapat diperoleh besarnya �_�� ����_��. Berdasarkan data tes hubung singkat transformator pada tabel 4.3, maka dapat dihitung besarnya �_�� ����_�� dengan persamaan dari (2.40), (2.41), dan (2.42) yaitu:

���� = ���

�2

�� =

16883 ,66

���� = �_��� �� =

13800

179,64= 76,82 �ℎ�

���� =��2��� − �2��� = �76,822−5,2322 = 76,64 �ℎ�

Dengan didapatkannya parameter-parameter diatas, maka dapat diketahui besarnya parameter secara menyeluruh pada rangkaian ekivalen transformator. Sehingga didapat bahwa nilai dari:

�1 = �2��2 =��� 2

�1 =5,232

2 = 2,616 �ℎ�

�2 =�1

�2 =

2,616

7,52 = 0,046 �ℎ� �1 =�2 ��2 =

���

2

�1 =

76,64

2 = 38,32 �ℎ�

�2 =�1

�2 =

38,32

7,52 = 0,6812 �ℎ�

Keseluruhan parameter transformator telah diketahui. Dengan rangkaian ekivalen transformator yang diberikan pada bab sebelumnya, maka besar masing-masing komponen seperti terlihat pada gambar.

Gambar 4.4 Rangkaian ekivalen Transformator dengan parameter-parameter yang telah didapatkan dalam analisis

4.4 Nilai Tahanan dari Transformator saat Berbeban Penuh

Pengujian transformator (tes tanpa beban) seperti terlihat dalam tabel dilakukan dalam keadaan temperatur yang mengacu terhadap temperatur ruangan saat pengujiaan tersebut, yaitu Ta = T0 = 26,8oC. Dari analisis resistansi pada sub bab diatas, didapatkan nilai resistansinya yaitu:

Resistansi kumparan primer : R1(26,8 o) = 2,616 ohm Resistansi kumparan sekunder : R2 (26,8 o) = 0,046 ohm Resistansi besi : Rc (26,8 o) = 20325 ohm

Resistansi berubah sesuai dengan perubahan temperatur yang terjadi. Hal ini telah dijelaskan dalam bab III. Maka, resistansi dapat dihitung dengan memakai persamaan (3.5):

∆�

∆� = ��0����� = �0[1 +�( � − �0)]

Untuk tembaga, berdasarkan tabel 3.4 diketahui koefisien mutlaknya adalah �= 0,00382, dan besi �= 0,005. Sehingga, dalam keadaan beban penuh, diketahui kenaikan resistansi transformatornya adalah:

R1(75 o) = 2,616 x [ 1 + 0,00382 x (75o – 26,8o ) ] = 3,0976ohm R2(75 o) = 0,046 x [ 1 + 0,00382 x (75o – 26,8o ) ] = 0,0544 ohm Rc(75 o) = 20325 x [ 1 + 0,00382 x (75o – 26,8o ) ] = 25223,325 ohm

4.5 Pengoperasian Sebelum Memakai Media Pendinginan

4.5.1 Rugi-rugi dan Efisiensi Transformator Saat Berbeban penuh

Besarnya arus yang mengalir ditinjau dari tiap fasa, sesuai dengan parameter-parameter dari rangkaian ekivalen transformator, dihitung dengan memakai persamaan :

�= �

√3 ��

Maka, besar arus yang mengalir pada rangkaian transformator adalah :

�1 = �

√3 ��₁ =

150 ���

√3 � 150 �� = 577,36 �

�� = �

√3 �� = 0,984 �

�2 = �

√3 ��₂ =

150 ���

√3 � 20 �� = 4330,25 �

Besarnya rugi-rugi daya tiga fasa yang terjadi pada transformator saat kondisi beban penuh adalah :

����� ���� = 3 ����12��1�+���2����+��22��2�� ����� ���� = 3 � {[( 577,36)2� 3,0976] + [(0,984)2� 25223,325 ]

+ [( 4330,25)2� 0,0544 ]}

����� ���� = 3 � (1158996,568) ����� ���� = 3476,989704 ��

Dari standard PT.PLN Persero, diketahui bahwa cos�= 0,85 lagging. Sehingga, besarnya rugi daya tersebut adalah :

3476,989704

0,85 = 4090,576122 ���

Dengan memperhatikan rugi-rugi daya transformator dan stray losses pada temperatur 75oC (dari data tes trafo di tabel ), maka dapat diketahui efisiensi transformator saat kondisi beban penuh yaitu :

� = 150 � 10

6

�150 � 106_{+ 4090,576122} ���_{+ 84} �103

0,85

� �

= 150 � 10

6

154189399,6� 100% = 97,30 %

4.5.2 Perubahan Temperatur terhadap Beban Variabel

Analisis pada sub bab diatas hanya ditinjau pada kondisi beban penuh. Pada kenyataannya kondisi beban selalu berubah-ubah. Hal ini tentunya dapat menyebabkan perubahan temperatur yang bervariasi. Besarnya perubahan temperatur tersebut dapat dianalisis dengan memakai persamaan-persamaan yang telah diberikan.

Pada kondisi ini, besarnya rugi-rugi daya tidak dapat diketahui karena berdasarkan persamaan perhitungan resistansi, dibutuhkan data perubahan temperatur akhir terhadap temperatur acuan. Sehingga, untuk mendapatkan rugi daya dapat secara langsung dihitung dengan persamaan (3.9):

�� =��_���� ���

2

� (�_��) +��_����

Dimisalkan, untuk pembebanan = 0,1 x beban penuh. Besarnya rugi tembaga saat beban penuh dan rugi tanpa beban (rugi besi) didapatkna dari data tes transformator pada tabel. Jadi besarnya rugi daya ditinjau untuk tiap fasa,

�� = [(0,1)2� (420000) + (28880)] = 33080

Dari besarnya rugi daya yang dihasilkan saat terjadi pembebanan = 0,1 x beban penuh, maka kenaikan temperatur minyak transformator tersebut dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (3.7):

�� = ��(��) �

��

����������������������ℎ�

�

temperatur lingkungan. Saat pengujian, temperatur lingkungan Ta = 26,8oC. Untuk besarnya �_�(��) ,maka :

��(��) = ��� − �� = 75℃ −26,8℃= 48,2℃ Sehingga,

��(0,1_��) = 48,2 � �

33080 420000 + 28880�

0,9

��(0,1_��) = 48,2 � (0,6767)0,9 = 4,61℃

Nilai �_{�(0,1��)} = 4,61℃ merupakan nilai kenaikan temperatur transformator terhadap pembebanan yang terjadi sebesar 10% dari beban penuh. Untuk berbagai kondisi pembebanan, maka dengan metode yang sama dapat diketahui besarnya kenaikan temperatur yang terjadi. Sekarang, akan dimisalkan temperatur lingkungan rata-rata pada saat siang hari di Indonesia, yaitu Tn = 37oC. Kenaikan temperatur yang terjadi, terdapat dalam Tabel 4.5.

Tabel 4.5 Kenaikan Temperatur Trafo Terhadap Beban Variabel Beban

(%)

Rugi-Rugi Trafo / Fasa

(Watt) Tf (

o

C) T4 (oC) Tn (oC)

10 33080 4,61 37 41,61

20 41744 5,68 37 42,68

30 66680 8,66 37 45,66

40 96080 12,03 37 49,03

50 133880 16,22 37 53,22

60 180080 21,18 37 59,33

70 234680 26,88 37 63,88

80 297680 33,30 37 70,30

90 369080 40,41 37 77,41

Sambungan Tabel Kenaikan Temperatur Trafo Terhadap Beban Variabel Beban

(%)

Rugi-Rugi Trafo / Fasa

(Watt) Tf (

o

C) T4 (oC) Tn (oC)

110 537080 56,64 37 93,64

120 633680 65,73 37 102,73

130 738680 75,46 37 112,46

140 852080 85,81 37 122,81

150 973880 96,78 37 133,78

Dari analisis yang telah diperoleh seperti dalam tabel 4.5, maka dapat diketahui perbandingan grafik dari Gambar 4.5 dan Gambar 4.6 berikut.

Gambar 4.5 Grafik rugi-rugi satu fasa dari transformator terhadap beban variabel

0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000

20 40 60 80 100 120 140 160

Ru

gi

-R

u

gi

(W

at

t)

Gambar 4.6 Grafik kenaikan temperatur transformator terhadap beban variabel

Temperatur minyak akhir trafo dalam kasus ini diperoleh dengan menganggap temperatur lingkungan konstan. Pada kenyataannya, temperatur lingkungan dapat berubah-ubah dalam berbagai periode waktu. Sehingga, dengan adanya perubahan temperatur lingkungan ini, temperatur minyak akhir trafo juga berubah.

Pada kondisi tertentu, dapat terjadi pembebanan yang melebihi batas nominal trafo. Hal ini dapat disebabkan karena adanya motor starting sebagai beban yang terhubung pada trafo, terjadinya gangguan, dan lain sebagainya. Walaupun terjadinya hanya dalam kurun waktu tertentu, akan tetapi kondisi ini juga harus diwaspadai, yang mana sebagai acuan untuk mengetahui seberapa besar kenaikan temperatur yang terjadi.

4.5.3 Rugi-rugi dan Efisiensi pada Beban tertentu saat Operasi Normal Sama halnya dengan perhitungan dalam kondisi beban penuh, mula-mula perlu diketahui perubahan resistansi saat beban dan temperatur berubah-ubah.

0 20 40 60 80 100 120

20 40 60 80 100 120 140 160

Ke n ai k an te mp e r at u r min yak ( o C) Beban (%)

Gambar 4.11 Perbedaan rugi-rugi saat sebelum dan sesudah diberikan pendinginan oleh kipas grup pertama dan kedua

Dengan penambahan debit udara melalui pengaktifan kipas grup kedua, ternyata memberikan pengaruh terhadap rugi-rugi dan efisiensi transformator yang dapat dilihat secara grafis dalam Gambar 4.11 dan 4.12.

Gambar 4.12 Perbedaan efisiensi trafo saat sebelum dan sesudah diberikan pendinginan oleh kipas grup pertama dan kedua

Gambar 4.13 Perbandingan temperatur minyak trafo sebelum dan sesudah 84 86 88 90 92 94 96 98 100 102

20 40 60 80

100 120 140 160

R u gi tot al ( Plo ss ) (W at t)

---forced 1&2

---forced 1 ---natural 0 20 40 60 80 100 120 140 160

20 40 60 80 100 120 140 160

Ke n ai k an te mp e r at u r min yak ( oC) ---natural ---forced 1 ---forced 1&2

Dengan menyalakan kipas grup kedua, maka transformator dapat dibebani lebih dari 150% dengan temperatur minyak masih dibawah batas yang diijinkan. Gambar 4.13 menunjukkan perbandingan temperatur pada saat pendinginan oleh kipas grup pertama, serta saat menggunakan pendinginan oleh kipas grup pertama dan grup kedua.

BAB V PENUTUP

5.1. Kesimpulan

Dari hasil perhitungan dan analisis terhadap transformator tenaga Unit 1 PLTU Labuhan Angin Sibolga, maka didapatkan kesimpulan sebagai berikut :

1. Resistansi suatu rangkaian ekivalen transformator dapat berubah-ubah dengan nilai yang berbanding lurus dengan perubahan temperatur. Semakin tinggi temperatur, maka resistansi juga akan semakin besar. Dibandingkan resistansi antara tanpa beban dan saat beban penuh, didapatkan: R

1(26,8

o

C) = 2,616 Ω < R

1(75

o

C) = 3,0976 Ω ; R

2(26,8

o

C) =

0,046 Ω < R

2(75

o

C) = 0,0544 Ω ; dan R

c(26,8

o

C) = 20,325 kΩ < R

c(75

o

C)

= 25,223 kΩ.

2. Semakin besar beban yang diterima oleh transformator, menyebabkan rugi-rugi menjadi besar dan menyebabkan temperatur dari transformator meningkat. Hal ini dapat menyebabkan rugi-rugi menjadi besar dan efisiensi dari transformator menurun. Dari analisis perhitungan didapatkan: Beban 80% ; T

n = 70,30

o

C ; P

loss = 4636,7368kVA ; η =97% ; beban 130% ;T

n = 112,46

o

C ; P

loss = 14087,2964kVA ; η =93,1% ; dan beban 150%; T

n = 133,78

o

C ; P

loss = 1771,61kVA ; η =90,15%.

3. Rugi-rugi daya transformator menjadi lebih kecil dan temperatur dapat terjaga dibawah batas yang diijinkan saat diberikan pendinginan. Sehingga, efisiensi transformator juga meningkat. Pada saat diberikan

pendinginan, didapatkan perbandingan rugi-rugi dan efisiensi transformator: Beban 80% ; T

n = 57,58

o

C ; P

loss = 4391,936kVA ; η=97,38%; Beban 130% ; T

n = 67,24

o

C ; P

loss = 11917,448kVA ; η =96,11% ; Beban 150% ; T

n = 77,14

o

C ; P

loss = 1559,26kVA ; η =95,12% 4. Dengan menjaga temperatur di bawah batas yang diizinkan, maka

transformator dapat dibebani lebih besar, bahkan sanggup lebih dari 150

5.2. Saran

Dari kesimpulan yang diperoleh, saran yang dapat diberikan adalah:

1. Untuk setting penyalaan kipas, sebaiknya disetting pada temperatur yang lebih rendah (bisa kurang dari 75oC) agar dapat diperoleh manfaat dari penggunaan pendingin secara maksimal. Selain itu, juga sebaiknya setting dalam penyalaan kipas dikelompokkan dalam beberapa grup, terkait dengan efektifitas dari penggunaan pendingin.

2. Jika terdapat trafo yang beroperasi sampai dengan 90%, maka pihak penyedia energi listrik dan distribusi harus memperhatikan akan kemampuan trafo dan mengambil langkah untuk pembagian beban secara merata dengan trafo lain yang tersedia. Hal ini diperlukan, karena selain menjaga kualitas pengiriman daya, juga menjaga agar umur trafo dapat lebih lama, terkait dengan adanya pemanasan pada trafo yang dapat menyebabkan kerusakan pada trafo, baik untuk material isolasi, konduktor, dan sebagainya walaupun sebenarnya trafo ini sebenarnya sanggup untuk dibebani lebih besar.

3. Untuk mempermudah mendapatkan perhitungan disarankan menggunakan program matlab.

4. Mengetahui pengoperasian terinci setiap jamnya dalam 24 jam untuk dapat mengetahui perbandingannya pada saat beban diberikan

DAFTAR PUSTAKA

[1] Abdul Kadir, Transformator, Jakarta: PT. Elex Media Komputindo, 1989

[2]

[3] Soebagio,Transformator, Surabaya: ITS, 2009 [4] Zuhal, Dasar Tenaga Listrik, Bandung: ITB, 1991

[5] Osaka Transformer Co.LTD manual book, Osaka: Osaka Transformer Company,1981