BAB II GARDU TRAFO DISTRIBUSI
II.1 Umum
Gardu trafo
distribusiberlokasi dekat dengan konsumen. Transformator
dipasang pada tiang listrik dan menyatu dengan jaringan listrik. Untuk mengamankan transformator dan sistemnya, gardu dilengkapi dengan unit-unit
pengaman. Karena tegangan yang masih tinggi belum dapat digunakan untuk mencatu beban secara langsung, kecuali pada beban yang didisain khusus, maka
digunakan transformator penurun tegangan step down yang berfungsi untuk menurunkan tegangan menengah 20kV ke tegangan rendah 400230Volt. Gardu
trafo distribusi ini terdiri dari dua sisi, yaitu : sisi primer dan sisi sekunder. Sisi primer merupakan saluran yang akan mensuplay ke bagian sisi
sekunder. Unit peralatan yang termasuk sisi primer adalah : a.
Saluran sambungan dari SUTM ke unit transformator primer trafo. b.
Fuse cut out. c.
Ligthning arrester. Gardu trafo distribusi ditunjukkan pada Gambar 2.1.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Gardu Trafo Distribusi
II.2 Transformator Distribusi
Tujuan dari penggunaan transformator distribusi adalah untuk mengurangi tegangan utama dari sistem distribusi listrik untuk tegangan pemanfaatan
penggunaan konsumen.Transformator distribusi yang umum digunakan adalah transformator step-down 20kV400V. Tegangan fasa ke fasa sistem jaringan
tegangan rendah adalah 380 V. Karena terjadi drop tegangan, maka pada tegangan rendahnya dibuat diatas 380V agar tegangan pada ujung penerima tidak lebih
kecil dari 380V. Sebuah transformator distribusi perangkat statis yang dibangun dengan dua atau lebih gulungan digunakan untuk mentransfer daya listrik arus
bolak-balik oleh induksi elektromagnetik dari satu sirkuit ke yang lain pada
Universitas Sumatera Utara
frekuensi yang sama tetapi dengan nilai-nilai yang berbeda tegangan dan arusnya. Transformator distribusi yang terpasang pada tiang dapat dikategorikan
menjadi : Conventional transformers
Completely self-protecting CSP transformers Completely self-protecting for secondary banking CSPB transformers
Conventional transformers tidak memiliki peralatan proteksi terintegrasi
terhadap petir,gangguan dan beban lebih sebagai bagian dari trafo. Oleh karena itu dibutuhkan fuse cutout untuk menghubungkan conventional transformers dengan
jaringan distribusi primer. Lightning arrester juga perlu ditambahkan untuk trafo jenis ini.
Completely self-protecting CSP transformers memiliki peralatan
proteksi terintegrasi terhadap petir, baban lebih, dan hubung singkat. Lightning arrester
terpasang langsung pada tangki trafo sebagai proteksi terhadap petir. Untuk proteksi terhadap beban lebih, digunakan fuse yang dipasang di dalam
tangki. Fuse ini disebut weak link. Proteksi trafo terhadap gangguan internal menggunakan hubungan proteksi internal yang dipasang antara beliran primer
dengan bushing primer. Completely self-protecting for secondary banking
CSPB transformers mirip dengan CSP transformers, tetapi pada trafo jenis ini terdapat sebuah circuit
breaker pada sisi sekunder, circuit breaker ini akan membuka sebelum weak link
melebur.
Universitas Sumatera Utara
II.2.1 Konstruksi Transformator
Transformator merupakan alat listrik statis yang digunakan untuk memindahkan daya dari satu rangkaian ke rangkaian yang lain dengan mengubah
tegangan, tanpa mengubah daya dan frekuensi. Transformator terdiri dari dua kumparan yang saling berinduksi mutual inductance . Kumparan ini terdiri dari
lilitan konduktor berisolasi sehingga kedua kumparan tersebut terisolasi secara elektrik antara yang satu dengan yang lain. Ratio perubahan tegangan tergantung
dari ratio perbandingan jumlah lilitan kedua kumparan itu. Kumparan yang menerima daya listrik disebut kumparan primer sedangkan kumparan yang
terhubung ke beban disebut kumparan sekunder. Kedua kumparan itu dililitkan pada suatu inti yang terbuat dari laminasi lembaran baja yang kemudian
dimasukkan ke dalam tangki berisi minyak trafo. Apabila kumparan primer dialiri arus listrik bolak – balik, maka akan
timbul fluks magnetik bolak – balik sepanjang inti yang akan menginduksi kumparan sekunder sehingga kumparan sekunder akan menghasilkan tegangan.
Konstruksi dasar transformator ditunjukkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Konstruksi Dasar Transformator
Universitas Sumatera Utara
Apabila trafo diasumsi sebagai trafo ideal dimana tidak terjadi rugi-rugi daya pada trafo, maka daya pada kumparan primer P
1
sama dengan daya pada kumparan sekunder P
2
. Besar tegangan dan arus pada kumparan sekunder diatur menggunakan perbandingan banyaknya lilitan antara kumparan primer dan
kumparan sekunder berdasarkan rumus :
p s
s p
s p
I I
V V
N N
........................................................................... 2.1
dimana : Np
= Banyaknya lilitan kumparan sisi primer Ns
= Banyaknya lilitan kumparan sisi sekunder Vp
= Tegangan sisi primer V Vs
= Tegangan sisi sekunder V Ip
= Arus sisi primer Amp Is
= Arus sisi sekunder Amp
II.2.2 Prinsip Kerja Transformator
Transformator miliki dua kumparan yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder, dan kedua kumparan ini bersifat induktif. Kedua kumparan ini terpisah
secara elektris namun berhubungan secara magnetis melalui jalur yang memiliki reluktansi reluctance rendah. Apabila kumparan primer dihubungkan dengan
sumber tegangan bolak-balik maka fluks bolak-balik akan muncul di dalam inti yang dilaminasi, karena kumparan tersebut membentuk jaringan tertutup maka
mengalirlah arus primer. Akibat adanya fluks di kumparan primer maka di kumparan primer terjadi induksi self induction dan terjadi pula induksi di
kumparan sekunder karena pengaruh induksi dari kumparan primer atau disebut
Universitas Sumatera Utara
sebagai induksi bersama mutual induction yang menyebabkan timbulnya fluksmagnet di kumparan sekunder, maka mengalirlah arus sekunder jika
rangkaian sekunder dibebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan.
dt d
N e
Volt ………………………………………………... 2.2 dimana :
e = Gaya gerak listrik Volt
N = Banyaknya lilitan
dt d
= Perubahan fluks magnetik webersec
Tujuan utama menggunakan inti pada transformator adalah untuk mengurangi reluktansi tahanan magnetis dari rangkaian magnetis common
magnetic circuit .
II.2.3 Inti Transformator
Secara umum inti transformator dibedakan menjadi dua jenis, yaitu tipe inti core type, dan tipe cangkang shell type. Tipe inti dibentuk dari lapisan besi
berisolasi berbentuk persegi panjang dan kumparan transformatornya dibelitkan pada dua sisi persegi.
Sedangkan tipe cangkang dibentuk dari lapisan inti berisolasi dan kumparan transformatornya di belitkan di pusat inti. Transformator dengan tipe
konstruksi shell memiliki kehandalan yang lebih tinggi dari pada tipe konstruksi core
dalam menghadapi tekanan mekanis yang kuat pada saat terjadi hubung singkat. Kedua tipe inti transformator ini ditunjukkan pada Gambar 2.3.
Universitas Sumatera Utara
a Tipe Inti b Tipe Cangkang
Gambar 2.3Inti Transformator
II.2.4 Minyak Transformator
Minyak transformator memegang peranan penting dalam sistem isolasi trafo dan juga berfungsi sebagai pendingin untuk menghilangkan panas akibat
rugi-rugi daya pada trafo. Kandungan utama minyak trafo adalah naftalin, parafin dan aromatik. Keuntungan minyak trafo sebagai isolator dalam trafo adalah :
Isolasi cair memiliki kerapatan 1000 kali atau lebih dibandingkan dengan isolasi gas, sehingga memiliki kekuatan dielektrik yang lebih tinggi.
Isolasi cairakan mengisicelah atau ruang yang akan diisolasi dan secara serentak melalui proses konversi menghilangkan panas yang timbul akibat
rugi daya. Isolasi cair cenderung dapat memperbaiki diri sendiri self healing jika
terjadi pelepasan muatan discharge. Kekuatan dielektrikadalah ukuran kemampuan elektrik suatu material
sebagai isolator. Kekuatan dielektrik didefenisikan sebagai tegangan maksimum yang dibutuhkan untuk mengakibatkan dielectric breakdown pada material yang
dinyatakan dalam satuan Voltm. Semakin tinggi kekuatan dielektrik minyak trafo, maka semakin bagus kualitas minyak tersebut sebagai isolator. Hasil uji
kekuatan dielektrikyang rendah, menunjukkan adanya benda-benda pengotor minyak seperti air atau partikel penghantar dalam minyak. Sebaliknya, apabila
Universitas Sumatera Utara
hasil uji kekuatan dielektrik tinggi, bukan berarti bahwa tidak terjadi pengotoran dalam minyak tersebut.
Untuk mencegah kemungkinan timbulnya kebakaran pada peralatan, perlu dipilih minyak dengan titik nyala yang tinggi. Titik nyala minyak baru tidak boleh
lebih kecil dari 135 °C, sedangkan untuk minyak bekas tidak boleh kurang dari 130 °C.
Menurut SNI 04 - 6954.2 - 2004 batas kenaikan suhu minyak bagian atas yang diperbolehkan adalah 60 °K pada suhu lingkungan sekitar normal 25°C
sampai 40°C .
II.2.5 Bushing Transformator
Untuk tujuan keamanan, konduktor tegangan tinggi dilewatkan menerobos suatu bidang yang dibumikan melalui suatu lubang terbuka yang dibuat sekecil
mungkin dan biasanya membutuhkan suatu pengikat padu yang disebut bushing.
Konstruksi suatu bushing sederhana ditunjukkan pada Gambar 2.4.
Gambar2.4Konstruksi Suatu Bushing Sederhana
Bagian utama suatubushingterdiri dari inti atau konduktor, bahan dielektrik dan flans yang terbuat dari logam. Inti berfungsi untuk menyalurkan
arus dari bagian dalam peralatan ke terminal luar dan bekerja pada tegangan tinggi. Dengan bantuan flans, isolator diikatkan pada badan peralatan yang
Universitas Sumatera Utara
dibumikan.
II.2.6 Sistem Pendingin Transformator
Sistem pendinginan trafo dapat dikelompokkan sebagai berikut : 1.
ONAN Oil Natural Air Natural Sistem pendingin ini menggunakan sirkulasi minyak dan sirkulasi udara
secara alamiah. Sirkulasi minyak yang terjadi disebabkan oleh perbedaan berat jenis antara minyak yang dingin dengan minyak yang panas.
2. ONAF Oil Natural Air Force
Sistem pendingin ini menggunakan sirkulasi minyak secara alami sedangkan sirkulasi udaranya secara buatan, yaitu dengan menggunakan
hembusan kipas angin yang digerakkan oleh motor listrik. Pada umumnya operasi trafo dimulai dengan ONAN atau dengan ONAF tetapi hanya sebagian kipas
angin yang berputar. Apabila suhu trafo sudah semakin meningkat, maka kipas angin yang lainnya akan berputar secara bertahap.
3. OFAF Oil Force Air Force
Pada sistem ini, sirkulasi minyak digerakkan dengan menggunakan kekuatan pompa, sedangkan sirkulasi udara mengunakan kipas angin.
II.3 Gangguan Pada Gardu Trafo Distribusi
II.3.1 Gangguan Sambaran Petir
Gangguan sambaran petir dibagi atas dua, yaitu sambaran langsung dan
Universitas Sumatera Utara
sambaran tidak langsung. Sambaran langsung adalah sambaran petir dari awan yang langsung menyambar jaringan sehingga menyebabkan naiknya tegangan
dengan cepat. Daerah yang terkena sambaran dapat terjadi pada tower dan juga kawat penghantar. Besarnya tegangan dan arus akibat sambaran ini tergantung
pada besar arus kilat, waktu muka, dan jenis tiang saluran. Sambaran tidak langsung atau sambaran induksi adalah sambaran petir ke bumi atau sambaran
petir dari awan ke awan di dekat saluran sehingga menyebabkan timbulnya muatan induksi pada jaringan.
Pada saluran udara tegangan menengah SUTM, gangguan akibat sambaran tidak langsung ini tidak boleh diabaikan. Gangguan akibat sambaran
tidak langsung ini pada umumnya lebih banyak terjadi dibandingkan akibat sambaran langsung, dikarenakan luasnya daerah sambaran induksi. Spesifikasi
gelombang petir ditunjukkan pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Spesifikasi Gelombang Petir
Spesifikasi dari suatu gelombang petir : a
Puncak crest gelombang, E kV, yaitu amplitudo maksimum dari
Universitas Sumatera Utara
gelombang. b
Muka front gelombang, t
1
mikrodetik, yaitu waktu dari permulaan sampai puncak. Ini diambil dari 10 E sampai 90 E.
c Ekor tril gelombang, yaitu bagian belakang puncak.
Panjang gelombang, t
2
mikrodetik, yaitu waktu dari permulaan sampai titik 50 E pada ekor gelombang.
II.3.2 Gangguan Hubung Singkat
Hubung singkat dapat terjadi melalui dua atau tiga saluran fasa sistem distribusi. Arus lebih yang dihasilkan hubung singkat tergantung pada besar
kapasitas daya penyulang, besar tegangan, dan besar impedansi rangkaian yang mengalami gangguan. Hubung singkat menghasilkan panas yang cukup tinggi
pada sisi primer trafo sebagai akibat dari naiknya rugi-rugi tembaga sebagai perbandingan dari kuadrat arus gangguan. Arus gangguan yang besar ini
mengakibatkan tekanan mekanik mechanical stress yang tinggi pada trafo.
Arus hubung singkat pada trafo dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
V Z
S I
sc
. 3
. 100
.
........................................................................... 2.3
dimana : S
= Daya trafo kVA Z
= Impedansi trafo dalam persen V
= Tegangan fasa-fasa pada sisi tegangan rendah kV
Universitas Sumatera Utara
Dari rumus
1 3
.
Z V
I
N L
f
A …….………………………………………………... 2.4
1 .
. 2
. 3
Z V
j I
N L
L L
f
A ………………………………………………... 2.5
maka dapat diperoleh
3 .
.
2 3
f L
L f
I I
A ………………………………………………... 2.6
3 .
.
866 .
f L
L f
I I
A ……………………………………………… 2.7 dimana,
3
f
I
= Arus gangguan 3 fasa A
L L
f
I
.
= Arus gangguan fasa ke fasa A
N L
V
= Tegangan fasa ke netral V
1
Z
= Impedansi total urutan positif Ω
Arus beban penuh dapat diketahui dengan menggunakan persamaan :
V S
I
FL
. 3
………………………………………………………...
2.8 dimana,
S = Daya trafo 3 fasa VA
V = Tegangan fasa-fasa pada sisi tegangan rendah V
II.3.3 Gangguan Kegagalan
Minyak Transformator
Kegagalan isolasi
insulation breakdown minyak trafo disebabkan oleh beberapa hal antara lain minyak trafo tersebut sudah lama dipakai, berkurangnya
Universitas Sumatera Utara
kekuatan dielektrik dankarena isolasi tersebut dikenakan tegangan lebih. Pada prinsipnya tegangan pada isolator merupakan suatu tarikan atau tekanan stress
yang harus dilawan oleh gaya dalam isolator itu sendiri agar isolator tersebut tidak gagal. Dalam struktur molekul material isolator, elektron-elektron terikat erat pada
molekulnya, dan ikatan ini mengadakan perlawanan terhadap tekanan yang disebabkan oleh adanya tegangan. Bila ikatan ini putus pada suatu tempat maka
sifat isolasi pada tempat itu akan hilang. Bila pada bahan isolasi tersebut diberikan tegangan akan terjadi perpindahan elektron-elektron dari suatu molekul ke
molekul lainnya sehingga timbul arus konduksi atau arus bocor. Karakteristik isolator akan berubah bila material kemasukan suatu ketidakmurnian impurity
seperti adanya arang atau kelembaban dalam isolasi yang dapat menurunkan tegangan tembus.
Oksigen yang terdapat di udara yang berhubungan dengan minyak yang panas dapat mengakibatkan terjadinya oksidasi dan terbentuknya bahan asam dan
endapan. Kadar asam yang terdapat pada minyak trafo merupakan suatu ukuran taraf deteriorasi dan kecenderungan untuk membentuk endapan. Endapan ini
sangat mengganggu karena melekat pada semua permukaan trafo dan mempersulit proses pendinginan. Endapan ini juga akan meningkatkan kemungkinan terjadinya
bunga api antara bagian-bagian trafo yang terbuka. Suatu endapan setelah mencapai tebal 0,2 mm sampai 0,4 mm pada inti dan kumparan akan dapat
meningkatkan suhu sampai 10°C sampai 15°C. Bila dalam minyak terdapat kelembaban, maka kelembaban tersebut dapat
membentuk jalur-jalur yang membuka jalan terhadap terjadinya hubung singkat. Kelembaban tidak saja menurunkan daya isolasi minyak, melainkan kelembaban
Universitas Sumatera Utara
itu dapat pula diserap oleh bahan isolasi lainnya, sehingga seluruh trafo menjadi terancam.
II.4 Proteksi Pada Gardu Trafo Distribusi
II.4.1 Fuse
Fuse adalah peralatan proteksi arus lebih yang bekerja dengan menggunakan prinsip melebur. Terdapat dua tipe fuse berdasarkan kecepatan
melebur elemen fusenya fuse link, yaitu tipe K cepat dan tipe T lambat. Fuse yang didesain untuk digunakan pada tegangan diatas 600V
dikategorikan sebagai fuse cutout. Fuse cutoutjenis ekspulsi expulsion type adalah jenis yang paling sering digunakan pada sistem distribusi saluran udara.
Fuse jenis inimenggunakan elemen fuse yang relatif pendek yang dipasang di dalam fuse catridge.
Pada umumnya fuse cutout dipasang antara trafo distribusi dengan saluran distribusi primer. Pada saat terjadi gangguan, elemen fuse akan melebur dan
memutuskan rangkaian sehingga akan melindungi trafo distribusi dari kerusakan akibat gangguan dan arus lebih pada saluran primer, atau sebaliknya memutuskan
saluran primer dari trafo distribusi apabila terjadi gangguan pada trafo atau jaringan sisi sekunder sehingga akan mencegah terjadinya pemadaman pada
seluruh jaringan primer.
II.4.2 Lightning Arrester
Penggunaan lightning arrester pada sistem distribusi adalah untuk melindungi peralatan dari gangguan akibat sambaran petir. Arrester juga
Universitas Sumatera Utara
dipergunakan untuk melindungi saluran distribusi dari flashover. Arrester dipasang pada peralatan yang dihubungkan dari fasa konduktor ke tanah.
Agar perlindungan saluran menjadi lebih efektif, arrester harus dipasang pada setiap fasa pada tiap tiang. Pada saat sistem bekerja keadaan normal, arrester
memiliki sifat sebagai isolator. Apabila terjadi sambaran petir, arrester akan berubah menjadi konduktor dan membuat jalan pintas bypass ke tanah yang
mudah dilalui oleh arus petir, sehingga tidak menimbulkan tegangan lebih yang tinggi pada trafo. Jalur ke tanah tersebut harus sedemikian rupa sehingga tidak
akan mengganggu aliran daya normal. Setelah petir hilang, arrester harus menutup dengan cepat kembali menjadi isolator, sehingga tidak mengakibatkan pemutus
daya terbuka. Pada kondisi operasi normal, arus bocor pada arrester tidak boleh melebihi 2 mA. Apabila arus bocor melebihi angka tersebut, kemungkinan besar
arrester mengalami kerusakan. Pada saluran distribusi, arrester yang biasanya digunakan adalah arrester
jenis katub valve type. Arrester jenis katub terdiri dari sela percik dan sela seri yang terhubung dengan elemen tahanan yang mempunyai karakteristik tidak
linier. Tegangan frekuensi dasar tidak dapat menimbulkan tembus pada sela seri. Apabila sela seri tembus pada saat tibanya suatu surja yang cukup tinggi,
sela tersebut berfungsi menjadi penghantar. Sela seri tidak bisa memutuskan arus susulan. Dalam hal ini sela seri dibantu oleh tahanan non linier yang mempunyai
karakteristik tahanan kecil untuk arus besar dan tahanan besar untuk arus susulan dari frekuensi dasar. Lightning arrester jenis katub ditunjukkan pada Gambar 2.6.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6Lightning Arrester Jenis Katub
II.5 Pembumian Grounding
Pembumian adalah penghubungan suatu bagian dari rangkaian listrik atau bagian yang bersifat konduktor tetapi bukan bagian dari rangkaian listrik yang
pada keadaan normal tidak bertegangan ke bumi. Tujuan dari pembumian adalah :
Mengurangi tegangan kejut listrik pada peralatan. Memberi jalan bagi arus gangguan, baik akibat terjadinya arus hubung
singkat ke tanah maupun akibat terjadinya sambaran petir. Untuk membatasi tegangan pada fasa yang tidak mengalami gangguan.
Sesuai dengan SNI 04-0225-2000 Pasal 3.13.2.10 dan Pasal 3.19.1.4, nilai tahanan pembumian seluruh sistem tidak boleh lebih besar dari 5
Ω dan jarak antar elektroda pembumian minimal 2 kali panjang elektroda. Resistivitas tanah
dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
R a
. .
2
....................................................................................... 2.9 dimana,
ρ = Resistivitas tanah
Ωm
Universitas Sumatera Utara
a = Jarak antara elektroda m
R = Tahanan
Ω
II.6 Tiang
Pada umumnya tiang listrik yang sekarang pada Saluran Udara Tegangan Menengah SUTM 20 kV terbuat dari beton bertulang dan tiang besi.
Pemakaian tiang kayu sudah jarang digunakan karena daya tahannya umurnya relatif pendek dan memerlukan pemeliharaan khusus.
Dilihat dari fungsinya, tiang listrik dibedakan menjadi dua yaitu tiang pemikul dan tiang tarik. Tiang pemikul berfungsi untuk memikul konduktor dan
isolator,sedangkan tiang tarik berfungsi untuk menarik konduktor. Pada SUTM 20 kV, jarak antar tiang ditetapkan sebesar 40 meter, tetapi
jarak tersebut perlu disesuaikan dengan kondisi wilayah sehingga diberi standar yang jelas sejauh 30 - 50 meter. Untuk pemasangan tiang, sudah ada standar untuk
kedalaman tiang yang harus ditanam dibawah permukaan tanah yaitu 16 dari panjang tiang.
Universitas Sumatera Utara
BAB III JARINGAN DISTRIBUSI 20 KV
III.1 Umum
Jaringan distribusi adalah jaringan yang berfungsi untuk menyalurkan tegangan dari gardu distribusi ke trafo distribusi ataupun ke trafo pemakaian
sendiri bagi konsumen besar. Secara garis besar jaringan distribusi dapat dibagi menjadi dua bagian
yaitu : 1.
Distribusi Primer 2.
Distribusi Skunder
Distribusi Primer
Distribusi primer adalah jaringan distribusi daya listrik bertegangan menengah 20 kV. Jaringan distribusi primer tersebut merupakan jaringan
penyulang. Jaringan ini berawal dari sisi sekunder trafo daya yang terpasang pada gardu induk hingga ke sisi primer trafo distribusi yang terpasang pada tiang-tiang
saluran.
Distribusi Sekunder
Distribusi sekunder adalah jaringan daya listrik yang termasuk dalam kategori tegangan rendah sistem 380220 Volt, yang mempunyai rating yang
sama dengan tegangan peralatan yang dilayani. Jaringan distribusi sekunder bermula dari sisi sekunder trafo distribusi dan berakhir hingga ke alat ukur
Universitas Sumatera Utara
Kategori