Analisis Kinerja Isolasi Transformator Tenaga Akibat Pengaruh Pembebanan (Studi Kasus Transformator Tenaga 3 Gardu Induk Gas Insulated Switchgear Listrik Medan)
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Umum
Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan
mengubah energi dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang
lain, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi
elektromagnet
[1].
Transformator
digunakan
untuk
menaikkan
ataupun
menurunkan tegangan listrik sesuai dengan kebutuhan. Hal ini dilakukan untuk
meningkatkan keandalan tenaga listrik yang akan disalurkan ke konsumen.
Tegangan tinggi yang dinaikkan dengan transformator digunakan pada saluran
transmisi, hal ini dilakukan untuk mengurangi rugi-rugi yang terjadi pada saluran,
dengan menaikkan tegangan maka rugi-rugi saluran dapat diperkecil. Setelah itu
tegangan akan diturunkan pada gardu distribusi untuk selanjutnya disalurkan pada
pelanggan.
Di dalam bidang elektronika, trafo banyak digunakan antara lain untuk [2]:
1. Gandengan impedansi (input impedance) antara sumber dan beban.
2. Menghambat arus searah (DC = Direct Current) dan melewatkan arus
bolak-balik.
3. Menaikkan dan menurunkan tegangan AC.
Berdasarkan frekuensi kerja, trafo dikelompokkan menjadi:
1. Trafo daya (50-60) Hz
2. Trafo pendengaran (20 Hz – 20 KHz)
3. Trafo MF (455 KHz)
4. Trafo RF (>455KHz)
Trafo RF disebut juga spul Oscillator atau spul Antena.
Pengelompokan trafo di dalam bidang tenaga listrik adalah:
1. Trafo daya
Trafo ini digunakan untuk menaikkan tegangan sampai ratusan ribu
Volt
2. Trafo distribusi
3. Trafo pengukuran
Universitas Sumatera Utara
Trafo ini terdiri atas trafo arus dan trafo tegangan.
Di dalam bentuk dasar, inti trafo terdiri dari tiga macam, yaitu:
1. Open core (inti terbuka)
2. Closed core (inti tertutup)
3. Shell core (inti bentuk cangkang)
Transformator yang digunakan dalam sistem tenaga dapat berupa
transformator 3-fasa dan dapat pula transformator 1-fasa. Jika transformator 3-fasa
dibandingkan dengan 3 buah transformator 1-fasa yang kapasitasnya sama,
ternyata berat transformator 3-fasa kira-kira 80% dari berat transformator 1-fasa.
Transformator 3-fasa juga lebih menguntungkan dalam hal pondasi, pengawatan
(wiring) dan ruang yang diperlukan. Tetapi untuk kelas 500 kV, transformator 1fasa yang dipakai karena sulitnya pengangkutan.Untuk menanggulangi masalah
pengangkutan dipakai transformator 3-fasa khusus, yang dapat diangkut dalam
keadaan 1-fasa dan kemudian dihubungkan menjadi 3-fasa di dalam minyak,
dengan bushingnya dipasang di tempat [3].
2.2 Konstruksi Transformator
Pada dasarnya transformator terdiri dari kumparan primer dan kumparan
sekunder yang dibelitkan pada inti ferromagnetik. Transformator yang menjadi
fokus disini adalah transformator daya.
Konstruksi transformator daya ada pada dua tipe yaitu tipe inti (core type)
dan tipe cangkang (shell type). Kedua tipe ini menggunakan inti berlaminasi yang
terisolasi satu sama lainnya, dengan tujuan untuk mengurangi rugi-rugi arus Eddy
[4].
2.2.1 Tipe Inti (Core Type)
Tipe inti dibentuk dari lapisan besi berisolasi berbentuk persegi dan
kumparan transformatornya dibelitkan pada dua sisi persegi. Pada konstruksi tipe
inti, kumparan mengelilingi inti besi, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Konstruksi transformator tipe inti (core type)
2.2.2 Tipe Cangkang (Shell Type)
Jenis konstruksi transformator yang kedua adalah tipe cangkang yang
dibentuk dari lapisan inti berisolasi dan kumparan dibelitkan di pusat inti, dapat
dilihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Konstruksi transformator tipe cangkang (shell type)
2.3 Prinsip Kerja Transformator
Trafo terrdiri dari dua gulungan kawat yang terpisah satu sama lain, yang
dibelitkan pada inti yang sama.
Daya listrik dipisahkan dari kumparan primer ke kumparan sekunder
dengan perantaraan garis gaya magnet (flux magnet) yang dibangkitkan oleh
aliran listrik yang mengalir melalui kumparan primer.
Untuk dapat membangkitkan tegangan listrik pada kumparan sekunder
flux magnet yang dibangkitkan oleh kumparan primer harus berubah-ubah. Untuk
memenuhi hal ini, aliran listrik yang mengalir melalui kumparan primer haruslah
aliran listrik bolak-bolik.
Universitas Sumatera Utara
Saat kumparan primer dihubungkan ke sumber listrik AC, pada kumparan
primer timbul gaya gerak magnet bersama yang bolak-balik juga. Dengan adanya
gaya gerak maget ini, di sekitar kumparan primer timbul flux magnet bersama
yang juga bolak-balik. Adanya flux magnet bersama ini pada ujung-ujung
kumparan sekunder yang mungkin sama, lebih tinggi, atau lebih rendah dari gaya
gerak listrik primer. Hal ini bergantung pada perbandingan transformasi kumparan
trafo tersebut.
Jika kumparan sekunder dihubungkan ke beban, maka pada kumparan
sekunder timbul arus listrik bolak-balik sekunder akibat adanya gaya gerak listrik
induksi primer. Hal ini mengakibatkan timbulnya gaya gerak magnet pada
kumparan sekunder dan akibatnya pada beban timbul tegangan sekunder.
Kombinasi antar gaya gerak magnet induksi sekunder dan primer disebut
induksi silang atau mutual induction [1].
2.3.1 Keadaan Transformator Tanpa Beban
Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber
tegangan V 1 yang sinusoidal, akan mengalir arus primer I 0 yang juga sinusoidal
dan dengan menganggap belitan N 1 reaktif murni, I 0 akan tertinggal 900 dari juga
V 1 (Gambar 2.3b). Arus primer I 0 menimbulkan fluks (Φ) yang sefasa dan juga
berbentuk sinusoidal [4].
Gambar 2.3 Transformator dalam keadaan tanpa beban
Universitas Sumatera Utara
Φ = Φ���� sin �� ………………………………………………….…………………..(2.1)
Fluks yang sinusoidal ini akan menghasilkan tegangan induksi �1 (Hukum
Faraday).
�Φ
��
�(���� sin ��)
�1 = −�1
��
�1 = −�1
�1 = −�1 � Φ���� cos �� (tertinggal 900 dari Φ)……………………….….(2.2)
�1 = Gaya gerak listrik induksi (Volt)
Dimana :
�1 = Jumlah belitan di sisi primer
� = Kecepatan sudut putar (rad/s)
Φ = Fluks magnetik (Tesla)
Harga efektifnya:
E1 =
E1 =
E1 =
E1 =
N 1 ωΦ maks
√2
N 1 2πfΦ maks
√2
N 1 2 x 3,14 fΦ maks
√2
N 1 6,28 fΦ maks
√2
E1 = 4,44 N1 f Φmaks ………………………………………………………………...(2.3)
Pada rangkaian sekunder, fluks (Φ) bersama tadi menimbulkan:
�2 = −�2
�Φ
��
�2 = −�2 � Φ���� cos ��
�2 = 4,44 �2 � Φ���� ………………………………………………………………..(2.4)
Universitas Sumatera Utara
Sehingga
�1
�2
=
�1
�2
Dengan mengabaikan rugi tahanan dan adanya fluks bocor, diperoleh hubungan:
�1
�2
Dimana:
�
=1=
�2
�1
�2
= a…………………………………………………………………(2.5)
�1 = GGL induksi di sisi primer (Volt)
�2 = GGL induksi di sisi sekunder (Volt)
�1 = Tegangan terminal di sisi primer (Volt)
�2 = Tegangan terminal di sisi sekunder (Volt)
�1 = Jumlah belitan di sisi primer
�2 = Jumlah belitan di sisi primer
f
= Frekuensi (Hertz)
a = Faktor transformasiV 2
2.3.2 Keadaan Transformator Berbeban
Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban Z L , I 2 akan
mengalir pada kumparan sekunder, dimana
�2 =
V2
��
,
Gambar 2.4 Transformator dalam keadaan berbeban
Arus beban I 2 ini akan menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) N 2 I 2 yang
cenderung menentang fluks (Φ) bersama yang telah ada akibat arus pemagnetan
Universitas Sumatera Utara
I M . Agar fluks bersama itu tidak berubah nilainya, pada kumparan primer harus
mengalir arus �2′ , yang menentang fluks yang dibangkitkan oleh arus beban I 2 ,
hingga keseluruhan arus yang mengalir pada kumparan primer menjadi [4]:
�1 = �0 + �2′ (ampere)………………………………….……………………………….(2.6)
Bila komponen arus rugi tembaga (�� ) diabaikan, maka �1 = �� , sehingga:
�1 = �� + �2′ (ampere)…………...…………………………………………………….(2.7)
Untuk menjaga agar fluks tetap tidak berubah sebesar ggm yang dihasilkan oleh
arus pemagnetan I M saja, berlaku hubungan:
�1 �� = �1 �1 − �2 �2
�1 �� = �1 (�1 + �� ) − �2 �2
Hingga
�1 �2′ = �2 �2 ……………………..............…………………………………………….(2.8)
Karena nilai �� dianggap kecil maka �2′ = �1
Jadi,
�1 �1 = �2 �2 atau
�1
�2
=
�2
�1
1
= …………………..................................................……….……………..(2.9)
�
2.4 Rugi-rugi Pada Transformator
Sampai saat ini hanya transformator ideal yang memenuhi hukum dasar
transformator yaitu, tegangan dan arus diubah menurut rasio transformator, dan
daya keluaran sama dengan daya masukan transformator. Kondisi dari
transformator ideal selalu berusaha dicapai tapi tidak pernah dapat diwujudkan
dalam transformator yang nyata.Perubahan tegangan dan arus selalu lebih kecil
daripada nilai yang diprediksikan menurut rasio belitan transformator karena
adanya rugi-rugi [5].
Universitas Sumatera Utara
Beberapa rugi-rugi yang terjadi di dalam transformator diantaranya adalah
rugi- rugi inti besi.Rugi-rugi pada inti besi dapat disebabkan oleh fluks bocor pada
inti besi. Beberapa yang termasuk rugi-rugi besi adalah [1]:
1. Rugi hysteresis, yaitu rugi yang disebabkan fluks bolak-balik pada inti
besi, yang dinyatakan dengan:
1.6
�ℎ = �ℎ � �����
…………………………………………………………………(2.10)
Dimana:
�ℎ
= rugi-rugi hysteresis (Watt)
�
= frekuensi (Hertz)
�ℎ
= konstanta
����� = kerapatan fluks maksimum (Tesla)
2. Rugi arus Eddy, yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi.
Dirumuskan:
2
�� = �� � 2 �����
………………………………………………………………..(2.11)
Dimana:
��
= rugi arus Eddy (Watt)
��
= konstanta
�
= frekuensi (Hertz)
����� = kerapatan fluks maksimum (Tesla)
Jadi, rugi-rugi yang terjadi pada inti besi dapat dirumuskan:
�� = �ℎ + �� …………………………………………………………………………...(2.12)
Sementara rugi-rugi yang terjadi pada konduktor yang digunakan pada
belitan transformator disebut rugi tembaga. Rugi tembaga terjadi karena arus yang
mengalir pada belitan tembaga, nilainya:
��� = � 2 � ……………………………………………………………………………….(2.13)
Karena arus beban berubah-ubah, rugi tembaga juga tidak konstan bergantung
pada beban.
2.5 Isolasi Kumparan Transformator Daya Tegangan Tinggi
Konstruksi isolasi trafo daya, khususnya trafo daya bertegangan tinggi,
adalah sangat rumit. Masing-masing komponen transformer, yaitu belitan, elemen
Universitas Sumatera Utara
kumparan tegangan tinggi dan kumparan tegangan rendah harus diisolasi satu
sama lain, elemen kumparan diisolasi juga terhadap inti dan gandar dibumikan.
Dengan demikian isolasi trafo daya dapat dibagi tiga jenis, yaitu:
1. Isolasi minor, yaitu isolasi yang memisahkan satu belitan dengan
belitan lain dalam satu elemen kumparan.
2. Isolasi mayor, yaitu isolasi yang memisahkan kumparan tegangan
tinggi dengan bagian yang bertegangan rendah. Isolasi ini terbagi lagi
atas isolasi utama, yang memisahkan kumparan tegangan tinggi
dengan kumparan tegangan rendah; dan isolasi gandar yang
memisahkan belitan tegangan tinggi dengan gandar.
3. Isolasi fasa, yaitu isolasi antara tegangan tinggi dengan kumparan
tegangan tinggi yang lain pada trafo tiga fasa.
Isolasi mayor, isolasi minor, dan isolasi fasa, ketiganya disebut isolasi kumparan
tegangan tinggi. Penamaan ini diberikan karena kumparan tegangan tinggi
merupakan elektroda yang harus diisolasi terhadap bagian-bagian trafo yang
bertegangan rendah.Bahan isolasi yang utama digunakan, baik untuk isolasi
mayor maupun minor, adalah minyak trafo yang dikombinasikan dengan
dielektrik padat [6].
2.6 Jenis Pendingin Transformator Daya
Pada inti besi dan kumparan-kumparan akan timbul panas akibat rugi-rugi
besi dan rugi-rugi tembaga. Bila panas tersebut mengakibatkan kenaikan suhu
yang berlebihan, akan merusak isolasi (di dalam transformator). Maka untuk
mengurangi kenaikan suhu transformator yang berlebihan maka perlu dilengkapi
dengan alat/sistem pendingin untuk menyalurkan panas keluar transformator.
Media yang dipakai pada sistem pendingin dapat berupa [7]:
1. Udara/gas
2. Minyak
3. Air
4. Dan lain sebagainya
Universitas Sumatera Utara
Sedangkan pengalirannya (sirkulasi) dapat dengan cara:
1. Alamiah (natural)
2. Tekanan/paksaan
Jenis pendingin pada transformator daya dapat dibedakan menjadi [8]:
1.
Transformator ONAN yaitu adalah transformator dengan minyak sebagai
pendingin kumparan transformator yang bersirkulasi secara alami dan
dengan udara sebagai pendingin luar transformator yang bersirkulasi
secara alami pula.
2.
Transformator ONAF yaitu transformator dengan minyak sebagai
pendingin transformator yang bersirkulasi secara alami dan dengan udara
sebagai pendingin luar transformator yang besirkulasi secara paksa/buatan.
3.
Transformator OFAF yaitu transformator dengan minyak sebagai
pendingin transformator yang bersirkulasi secara paksa/buatan dan dengan
udara sebagai pendingin luar transformator yang besirkulasi secara
paksa/buatan.
4.
Transformator OFWF yaitu transformator dengan minyak sebagai
pendingin transformator yang bersirkulasi secara paksa/buatan dan dengan
air sebagai pendingin luar transformator yang bersirkulasi secara
paksa/buatan.
2.7 Temperatur Hot-spot
Pendekatan yang mungkin untuk mengukur temperatur hot-spot adalah
dengan menggunakan teknik serat optik atau menggunakan model thermal dari
transformator daya. Karena kompleksitas fenomena perpindahan panas sehingga
dibuat model thermal yang tepat.Diagram thermal telah diterbitkan oleh IEC.
Sebuah Diagram digunakan untuk memberikan [9] :
a.
Penyebaran temperatur pada belitan
b.
Nilai-nilai temperatur pada titik tertentu
Kenaikan temperatur hot-spot lebih tinggi daripada kenaikan rata-rata
kumparan atas.Untuk menghitung perbedaan dari kenaikan temperature ini, nilai
dari 0.1 ∆��� diasumsikan untuk sirkulasi minyak alami. Sehingga kenaikan
Universitas Sumatera Utara
temperatur pada hot-spot sama dengan temperatur kumparan atas ditambah
dengan 1.1 ∆��� .
Kenaikan temperatur hot-spot dapat dibagi menjadi dua, yaitu
a.
Sirkulasi Minyak Alami.
Kenaikan temperatur hot-spot = kenaikan temperatur puncak minyak
+ 1.1 ∆���
Diketahui bahwa nilai dari kenaikan puncak minyak adalah 55 0C dan
Nilai dari ∆��� adalah 21 0C.
Sehingga diperoleh [10]:
Kenaikan temperatur hot-spot = 55 0C + 1.1 x 21 0C
= 55 0C + 23 0C
= 78 0C
b.
Sirkulasi Minyak Paksaan
Pada sirkulasi paksaan kenaikan minyak akan lebih kecil daripada
sirkulasi minyak alami.Pada kondisi ini, nilai dari kenaikan puncak
minyak adalah 40 0C dan kenaikan temperature hot-spot adalah 78 0C.
Kenaikan temperature hot-spot 78 0C diperoleh dengan [9]:
kenaikan puncak minyak adalah 40 0C dan perbedaan temperatur
antara hot-spot dengan puncak minyak 38 0C.
sehingga:
Kenaikan temperatur hot-spot = 40 0C + 38 0C
= 780C
Universitas Sumatera Utara
2.8 Pengaruh Pembebanan Terhadap Umur Isolasi
Pengaruh pembebanan terhadap umur transformator dapat terjadi karena 2
hal, yaitu pada kondisi beban stabil dan pada kondisi beban berubah-ubah.
2.8.1 Pada Kondisi Beban Stabil
2.8.1.1 Kenaikan Temperatur Top Oil pada Beban Tertentu
Kenaikan temperatur top oil ini sama dengan kenaikan top oil pada besar
daya dikalikan dengan perbandingan dari total rugi-rugi dan dipangkatkan dengan
x.
Persamaan ini dirumuskan [9]:
∆�� = ∆��� �
Dimana:
∆��
∆���
1+� � 2 �
1+�
� …………………………………………………….……….(2.14)
= kenaikan temperatur top oil
= temperatur dengan besarnya :
∆��� = 55 0C untuk ON, dan
∆��� = 40 0C untuk OF
x
= tergantung dari jenis pendingin, besarnya:
x = 0,9 untuk ONAN dan ONAF
x = 1,0 untuk OFAF dan OFWF
d
= perbandingan rugi
=
K
rugi daya pada pengenal
rugi beban nol
= rasio pembebanan, dirumuskan:
=
�
��
2.8.1.2 Kenaikan Temperatur Hot-spot pada Beban Tertentu
Kenaikan temperature Hot-spot dapat dirumuskan dengan [9]:
∆�� = ∆�� + (∆��� − ∆��� )� 2� ………………………………………….....(2.15)
Dengan memasukkan persamaan (2.14) di atas maka akan diperoleh:
Universitas Sumatera Utara
∆�� =
Dimana:
1+� �2
∆��� �
�
1+�
∆��� = 78 0C
�
+(∆��� − ∆��� )� 2� …………………………....(2.16)
∆��� = tergantung pada jenis pendingin
∆��� = 55 0C untuk ON, dan
y
∆��� = 40 0C untuk OF
= tergantung pada jenis pendingin
y = 0,8 untuk ONAN dan ONAF
y = 0,9 untuk OFAF dan OFWF
∆�� = kenaikan temperatur hot-spot
K = rasio pembebanan
2.8.2 Pada Kondisi Untuk Beban Berubah-ubah
2.8.2.1 Kenaikan Temperatur Top Oil
Kenaikan temperatur top oil ∆��� setelah pemakaian setelah pemakaian
selama t mendekati persamaan eksponensial yang dapat dirumuskan [9]:
∆��� = ∆��0 + (∆�� − ∆��0 )�1 − � −�/� � ………………………………….(2.17)
Dimana:
∆��0 = kenaikan temperatur awal minyak
∆��
= kenaikan temperatur akhir minyak yang telah distabilkan
sesuai dengan pertimbangan beban
�= waktu dalam jam, dengan:
� = 3 jam untuk ONAN dan ONAF
� = 2 jam untuk OFAF dan OFWF
∆��� = kenaikan temperatur top oil
2.8.2.2 Kenaikan Temperatur Hot-spot
Kenaikan temperature hot-spot pada saat waktu tertentu sebelum
distabilkan dapat diperoleh dengan mengasumsikan bahwa kenaikan temperatur
hot-spot adalah di atas kenaikan temperatur top oil [9].
Universitas Sumatera Utara
Kenaikan temperatur hot-spot pada saat tertentu dapat dirumuskan:
∆�� = ∆��� + (∆��� − ∆��� )�2� ……………………………………………..(2.18)
Dengan memasukkan persamaan (2.17) di atas, maka akan diperoleh persamaan:
∆�� = ∆��0 + (∆�� − ∆��0 )�1 − � −�/� � + (∆��� − ∆��� )�2� …….(2.19)
Dimana:
∆�� = kenaikan temperatur hot-spot
∆��0 = kenaikan temperatur awal minyak
∆�� = kenaikan temperatur akhir minyak yang telah distabilkan
sesuai dengan pertimbangan beban
�= waktu dalam jam, dengan:
� = 3 jam untuk ONAN dan ONAF
� = 2 jam untuk OFAF dan OFWF
∆��� = kenaikan temperatur top oil
y
= tergantung pada jenis pendingin
y = 0,8 untuk ONAN dan ONAF
y = 0,9 untuk OFAF dan OFWF
K
= rasio pembebanan
2.9 Penentuan Umur Isolasi Transformator.
Umur isolasi transformator dipengaruhi oleh
panas yang terjadi dan
waktu. Untuk menentukan umur transformator biasanya digunakan persamaan
Arrhenius [6]:
� = � �+� /� ……………………………………………………………………………...(2.20)
Dimana:
D
= umur transformator yang diinginkan
� + � = konstanta material
T
= suhu absolut dari hotspot
Universitas Sumatera Utara
Untuk
level
temperatur
pengoperasian
transformator,
Montsinger
mengusulkan hubungan persamaan yang lebih sederhana, yaitu:
� = � � −�� ……………………………………………………………………………...(2.21)
Dimana:
D
= umur transformator yang diinginkan
K dan p = konstanta material
v
= temperature hot-spot ( 0C)
2.10 Umur Pemakaian Relatif
Persamaan Montsinger dapat digunakan untuk menentukan umur
pemakaian relatif pada temperatur �� , dibandingkan dengan umur pada saat
pemakaian normal ��� . Dirumuskan [9]:
�=
penggunaan umur saat θ c
penggunaan umur saat θ cr
= 2(θ c −θ cr )/6
� =� 0,693(θc−θcr)/6…………………………….......................…………..............(2.22)
Dimana:
� = umur pemakaian relatif
��� = 98 0C (nilai ini dari publikasi IEC 76 (1967)
Bila persamaan (2.22) di atas diubah dalam bentuk log10 , maka akan
diperoleh persamaan:
� = 10(θ c −98)/19,93 …………………………………………………………………(2.23)
2.11 Persamaan Diagram Kehilangan Umur dalam Periode 24 Jam
Pengoperasian transformator dapat dibagi dalam dua macam, yaitu saat
pengoperasian dengan temperatur konstan dan pengoperasian dengan temperatur
berubah-ubah.
Universitas Sumatera Utara
2.11.1 Pengoperasian dalam Temperatur Konstan
Umur
pemakaian
pada
pengoperasian
temperatur
konstan dapat
dirumuskan dengan tV.
2.11.2 Pengoperasian dalam Temperatur Berubah-ubah
Umur pemakaian pada pengoperasian temperatur berubah-ubah dapat
�
dirumuskan dengan ∫0 ���.
2.11.3 Durasi Pengoperasian yang Masih Diijinkan pada ��
Dari persamaan (2.23) diperoleh:
�� = 98 + 19,93 log10 �……………………………………………………………(2.24)
Umur pemakaian dalam jam:
�� = � x10(�� −98)/19.93 ……………………………………………………………...(2.25)
Sehingga tV sama dengan 24:
�=
24
�
= 24 x 10(�� −98)/19.93………………………………………..…………(2.26)
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Umum
Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan
mengubah energi dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang
lain, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi
elektromagnet
[1].
Transformator
digunakan
untuk
menaikkan
ataupun
menurunkan tegangan listrik sesuai dengan kebutuhan. Hal ini dilakukan untuk
meningkatkan keandalan tenaga listrik yang akan disalurkan ke konsumen.
Tegangan tinggi yang dinaikkan dengan transformator digunakan pada saluran
transmisi, hal ini dilakukan untuk mengurangi rugi-rugi yang terjadi pada saluran,
dengan menaikkan tegangan maka rugi-rugi saluran dapat diperkecil. Setelah itu
tegangan akan diturunkan pada gardu distribusi untuk selanjutnya disalurkan pada
pelanggan.
Di dalam bidang elektronika, trafo banyak digunakan antara lain untuk [2]:
1. Gandengan impedansi (input impedance) antara sumber dan beban.
2. Menghambat arus searah (DC = Direct Current) dan melewatkan arus
bolak-balik.
3. Menaikkan dan menurunkan tegangan AC.
Berdasarkan frekuensi kerja, trafo dikelompokkan menjadi:
1. Trafo daya (50-60) Hz
2. Trafo pendengaran (20 Hz – 20 KHz)
3. Trafo MF (455 KHz)
4. Trafo RF (>455KHz)
Trafo RF disebut juga spul Oscillator atau spul Antena.
Pengelompokan trafo di dalam bidang tenaga listrik adalah:
1. Trafo daya
Trafo ini digunakan untuk menaikkan tegangan sampai ratusan ribu
Volt
2. Trafo distribusi
3. Trafo pengukuran
Universitas Sumatera Utara
Trafo ini terdiri atas trafo arus dan trafo tegangan.
Di dalam bentuk dasar, inti trafo terdiri dari tiga macam, yaitu:
1. Open core (inti terbuka)
2. Closed core (inti tertutup)
3. Shell core (inti bentuk cangkang)
Transformator yang digunakan dalam sistem tenaga dapat berupa
transformator 3-fasa dan dapat pula transformator 1-fasa. Jika transformator 3-fasa
dibandingkan dengan 3 buah transformator 1-fasa yang kapasitasnya sama,
ternyata berat transformator 3-fasa kira-kira 80% dari berat transformator 1-fasa.
Transformator 3-fasa juga lebih menguntungkan dalam hal pondasi, pengawatan
(wiring) dan ruang yang diperlukan. Tetapi untuk kelas 500 kV, transformator 1fasa yang dipakai karena sulitnya pengangkutan.Untuk menanggulangi masalah
pengangkutan dipakai transformator 3-fasa khusus, yang dapat diangkut dalam
keadaan 1-fasa dan kemudian dihubungkan menjadi 3-fasa di dalam minyak,
dengan bushingnya dipasang di tempat [3].
2.2 Konstruksi Transformator
Pada dasarnya transformator terdiri dari kumparan primer dan kumparan
sekunder yang dibelitkan pada inti ferromagnetik. Transformator yang menjadi
fokus disini adalah transformator daya.
Konstruksi transformator daya ada pada dua tipe yaitu tipe inti (core type)
dan tipe cangkang (shell type). Kedua tipe ini menggunakan inti berlaminasi yang
terisolasi satu sama lainnya, dengan tujuan untuk mengurangi rugi-rugi arus Eddy
[4].
2.2.1 Tipe Inti (Core Type)
Tipe inti dibentuk dari lapisan besi berisolasi berbentuk persegi dan
kumparan transformatornya dibelitkan pada dua sisi persegi. Pada konstruksi tipe
inti, kumparan mengelilingi inti besi, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Konstruksi transformator tipe inti (core type)
2.2.2 Tipe Cangkang (Shell Type)
Jenis konstruksi transformator yang kedua adalah tipe cangkang yang
dibentuk dari lapisan inti berisolasi dan kumparan dibelitkan di pusat inti, dapat
dilihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Konstruksi transformator tipe cangkang (shell type)
2.3 Prinsip Kerja Transformator
Trafo terrdiri dari dua gulungan kawat yang terpisah satu sama lain, yang
dibelitkan pada inti yang sama.
Daya listrik dipisahkan dari kumparan primer ke kumparan sekunder
dengan perantaraan garis gaya magnet (flux magnet) yang dibangkitkan oleh
aliran listrik yang mengalir melalui kumparan primer.
Untuk dapat membangkitkan tegangan listrik pada kumparan sekunder
flux magnet yang dibangkitkan oleh kumparan primer harus berubah-ubah. Untuk
memenuhi hal ini, aliran listrik yang mengalir melalui kumparan primer haruslah
aliran listrik bolak-bolik.
Universitas Sumatera Utara
Saat kumparan primer dihubungkan ke sumber listrik AC, pada kumparan
primer timbul gaya gerak magnet bersama yang bolak-balik juga. Dengan adanya
gaya gerak maget ini, di sekitar kumparan primer timbul flux magnet bersama
yang juga bolak-balik. Adanya flux magnet bersama ini pada ujung-ujung
kumparan sekunder yang mungkin sama, lebih tinggi, atau lebih rendah dari gaya
gerak listrik primer. Hal ini bergantung pada perbandingan transformasi kumparan
trafo tersebut.
Jika kumparan sekunder dihubungkan ke beban, maka pada kumparan
sekunder timbul arus listrik bolak-balik sekunder akibat adanya gaya gerak listrik
induksi primer. Hal ini mengakibatkan timbulnya gaya gerak magnet pada
kumparan sekunder dan akibatnya pada beban timbul tegangan sekunder.
Kombinasi antar gaya gerak magnet induksi sekunder dan primer disebut
induksi silang atau mutual induction [1].
2.3.1 Keadaan Transformator Tanpa Beban
Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber
tegangan V 1 yang sinusoidal, akan mengalir arus primer I 0 yang juga sinusoidal
dan dengan menganggap belitan N 1 reaktif murni, I 0 akan tertinggal 900 dari juga
V 1 (Gambar 2.3b). Arus primer I 0 menimbulkan fluks (Φ) yang sefasa dan juga
berbentuk sinusoidal [4].
Gambar 2.3 Transformator dalam keadaan tanpa beban
Universitas Sumatera Utara
Φ = Φ���� sin �� ………………………………………………….…………………..(2.1)
Fluks yang sinusoidal ini akan menghasilkan tegangan induksi �1 (Hukum
Faraday).
�Φ
��
�(���� sin ��)
�1 = −�1
��
�1 = −�1
�1 = −�1 � Φ���� cos �� (tertinggal 900 dari Φ)……………………….….(2.2)
�1 = Gaya gerak listrik induksi (Volt)
Dimana :
�1 = Jumlah belitan di sisi primer
� = Kecepatan sudut putar (rad/s)
Φ = Fluks magnetik (Tesla)
Harga efektifnya:
E1 =
E1 =
E1 =
E1 =
N 1 ωΦ maks
√2
N 1 2πfΦ maks
√2
N 1 2 x 3,14 fΦ maks
√2
N 1 6,28 fΦ maks
√2
E1 = 4,44 N1 f Φmaks ………………………………………………………………...(2.3)
Pada rangkaian sekunder, fluks (Φ) bersama tadi menimbulkan:
�2 = −�2
�Φ
��
�2 = −�2 � Φ���� cos ��
�2 = 4,44 �2 � Φ���� ………………………………………………………………..(2.4)
Universitas Sumatera Utara
Sehingga
�1
�2
=
�1
�2
Dengan mengabaikan rugi tahanan dan adanya fluks bocor, diperoleh hubungan:
�1
�2
Dimana:
�
=1=
�2
�1
�2
= a…………………………………………………………………(2.5)
�1 = GGL induksi di sisi primer (Volt)
�2 = GGL induksi di sisi sekunder (Volt)
�1 = Tegangan terminal di sisi primer (Volt)
�2 = Tegangan terminal di sisi sekunder (Volt)
�1 = Jumlah belitan di sisi primer
�2 = Jumlah belitan di sisi primer
f
= Frekuensi (Hertz)
a = Faktor transformasiV 2
2.3.2 Keadaan Transformator Berbeban
Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban Z L , I 2 akan
mengalir pada kumparan sekunder, dimana
�2 =
V2
��
,
Gambar 2.4 Transformator dalam keadaan berbeban
Arus beban I 2 ini akan menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) N 2 I 2 yang
cenderung menentang fluks (Φ) bersama yang telah ada akibat arus pemagnetan
Universitas Sumatera Utara
I M . Agar fluks bersama itu tidak berubah nilainya, pada kumparan primer harus
mengalir arus �2′ , yang menentang fluks yang dibangkitkan oleh arus beban I 2 ,
hingga keseluruhan arus yang mengalir pada kumparan primer menjadi [4]:
�1 = �0 + �2′ (ampere)………………………………….……………………………….(2.6)
Bila komponen arus rugi tembaga (�� ) diabaikan, maka �1 = �� , sehingga:
�1 = �� + �2′ (ampere)…………...…………………………………………………….(2.7)
Untuk menjaga agar fluks tetap tidak berubah sebesar ggm yang dihasilkan oleh
arus pemagnetan I M saja, berlaku hubungan:
�1 �� = �1 �1 − �2 �2
�1 �� = �1 (�1 + �� ) − �2 �2
Hingga
�1 �2′ = �2 �2 ……………………..............…………………………………………….(2.8)
Karena nilai �� dianggap kecil maka �2′ = �1
Jadi,
�1 �1 = �2 �2 atau
�1
�2
=
�2
�1
1
= …………………..................................................……….……………..(2.9)
�
2.4 Rugi-rugi Pada Transformator
Sampai saat ini hanya transformator ideal yang memenuhi hukum dasar
transformator yaitu, tegangan dan arus diubah menurut rasio transformator, dan
daya keluaran sama dengan daya masukan transformator. Kondisi dari
transformator ideal selalu berusaha dicapai tapi tidak pernah dapat diwujudkan
dalam transformator yang nyata.Perubahan tegangan dan arus selalu lebih kecil
daripada nilai yang diprediksikan menurut rasio belitan transformator karena
adanya rugi-rugi [5].
Universitas Sumatera Utara
Beberapa rugi-rugi yang terjadi di dalam transformator diantaranya adalah
rugi- rugi inti besi.Rugi-rugi pada inti besi dapat disebabkan oleh fluks bocor pada
inti besi. Beberapa yang termasuk rugi-rugi besi adalah [1]:
1. Rugi hysteresis, yaitu rugi yang disebabkan fluks bolak-balik pada inti
besi, yang dinyatakan dengan:
1.6
�ℎ = �ℎ � �����
…………………………………………………………………(2.10)
Dimana:
�ℎ
= rugi-rugi hysteresis (Watt)
�
= frekuensi (Hertz)
�ℎ
= konstanta
����� = kerapatan fluks maksimum (Tesla)
2. Rugi arus Eddy, yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi.
Dirumuskan:
2
�� = �� � 2 �����
………………………………………………………………..(2.11)
Dimana:
��
= rugi arus Eddy (Watt)
��
= konstanta
�
= frekuensi (Hertz)
����� = kerapatan fluks maksimum (Tesla)
Jadi, rugi-rugi yang terjadi pada inti besi dapat dirumuskan:
�� = �ℎ + �� …………………………………………………………………………...(2.12)
Sementara rugi-rugi yang terjadi pada konduktor yang digunakan pada
belitan transformator disebut rugi tembaga. Rugi tembaga terjadi karena arus yang
mengalir pada belitan tembaga, nilainya:
��� = � 2 � ……………………………………………………………………………….(2.13)
Karena arus beban berubah-ubah, rugi tembaga juga tidak konstan bergantung
pada beban.
2.5 Isolasi Kumparan Transformator Daya Tegangan Tinggi
Konstruksi isolasi trafo daya, khususnya trafo daya bertegangan tinggi,
adalah sangat rumit. Masing-masing komponen transformer, yaitu belitan, elemen
Universitas Sumatera Utara
kumparan tegangan tinggi dan kumparan tegangan rendah harus diisolasi satu
sama lain, elemen kumparan diisolasi juga terhadap inti dan gandar dibumikan.
Dengan demikian isolasi trafo daya dapat dibagi tiga jenis, yaitu:
1. Isolasi minor, yaitu isolasi yang memisahkan satu belitan dengan
belitan lain dalam satu elemen kumparan.
2. Isolasi mayor, yaitu isolasi yang memisahkan kumparan tegangan
tinggi dengan bagian yang bertegangan rendah. Isolasi ini terbagi lagi
atas isolasi utama, yang memisahkan kumparan tegangan tinggi
dengan kumparan tegangan rendah; dan isolasi gandar yang
memisahkan belitan tegangan tinggi dengan gandar.
3. Isolasi fasa, yaitu isolasi antara tegangan tinggi dengan kumparan
tegangan tinggi yang lain pada trafo tiga fasa.
Isolasi mayor, isolasi minor, dan isolasi fasa, ketiganya disebut isolasi kumparan
tegangan tinggi. Penamaan ini diberikan karena kumparan tegangan tinggi
merupakan elektroda yang harus diisolasi terhadap bagian-bagian trafo yang
bertegangan rendah.Bahan isolasi yang utama digunakan, baik untuk isolasi
mayor maupun minor, adalah minyak trafo yang dikombinasikan dengan
dielektrik padat [6].
2.6 Jenis Pendingin Transformator Daya
Pada inti besi dan kumparan-kumparan akan timbul panas akibat rugi-rugi
besi dan rugi-rugi tembaga. Bila panas tersebut mengakibatkan kenaikan suhu
yang berlebihan, akan merusak isolasi (di dalam transformator). Maka untuk
mengurangi kenaikan suhu transformator yang berlebihan maka perlu dilengkapi
dengan alat/sistem pendingin untuk menyalurkan panas keluar transformator.
Media yang dipakai pada sistem pendingin dapat berupa [7]:
1. Udara/gas
2. Minyak
3. Air
4. Dan lain sebagainya
Universitas Sumatera Utara
Sedangkan pengalirannya (sirkulasi) dapat dengan cara:
1. Alamiah (natural)
2. Tekanan/paksaan
Jenis pendingin pada transformator daya dapat dibedakan menjadi [8]:
1.
Transformator ONAN yaitu adalah transformator dengan minyak sebagai
pendingin kumparan transformator yang bersirkulasi secara alami dan
dengan udara sebagai pendingin luar transformator yang bersirkulasi
secara alami pula.
2.
Transformator ONAF yaitu transformator dengan minyak sebagai
pendingin transformator yang bersirkulasi secara alami dan dengan udara
sebagai pendingin luar transformator yang besirkulasi secara paksa/buatan.
3.
Transformator OFAF yaitu transformator dengan minyak sebagai
pendingin transformator yang bersirkulasi secara paksa/buatan dan dengan
udara sebagai pendingin luar transformator yang besirkulasi secara
paksa/buatan.
4.
Transformator OFWF yaitu transformator dengan minyak sebagai
pendingin transformator yang bersirkulasi secara paksa/buatan dan dengan
air sebagai pendingin luar transformator yang bersirkulasi secara
paksa/buatan.
2.7 Temperatur Hot-spot
Pendekatan yang mungkin untuk mengukur temperatur hot-spot adalah
dengan menggunakan teknik serat optik atau menggunakan model thermal dari
transformator daya. Karena kompleksitas fenomena perpindahan panas sehingga
dibuat model thermal yang tepat.Diagram thermal telah diterbitkan oleh IEC.
Sebuah Diagram digunakan untuk memberikan [9] :
a.
Penyebaran temperatur pada belitan
b.
Nilai-nilai temperatur pada titik tertentu
Kenaikan temperatur hot-spot lebih tinggi daripada kenaikan rata-rata
kumparan atas.Untuk menghitung perbedaan dari kenaikan temperature ini, nilai
dari 0.1 ∆��� diasumsikan untuk sirkulasi minyak alami. Sehingga kenaikan
Universitas Sumatera Utara
temperatur pada hot-spot sama dengan temperatur kumparan atas ditambah
dengan 1.1 ∆��� .
Kenaikan temperatur hot-spot dapat dibagi menjadi dua, yaitu
a.
Sirkulasi Minyak Alami.
Kenaikan temperatur hot-spot = kenaikan temperatur puncak minyak
+ 1.1 ∆���
Diketahui bahwa nilai dari kenaikan puncak minyak adalah 55 0C dan
Nilai dari ∆��� adalah 21 0C.
Sehingga diperoleh [10]:
Kenaikan temperatur hot-spot = 55 0C + 1.1 x 21 0C
= 55 0C + 23 0C
= 78 0C
b.
Sirkulasi Minyak Paksaan
Pada sirkulasi paksaan kenaikan minyak akan lebih kecil daripada
sirkulasi minyak alami.Pada kondisi ini, nilai dari kenaikan puncak
minyak adalah 40 0C dan kenaikan temperature hot-spot adalah 78 0C.
Kenaikan temperature hot-spot 78 0C diperoleh dengan [9]:
kenaikan puncak minyak adalah 40 0C dan perbedaan temperatur
antara hot-spot dengan puncak minyak 38 0C.
sehingga:
Kenaikan temperatur hot-spot = 40 0C + 38 0C
= 780C
Universitas Sumatera Utara
2.8 Pengaruh Pembebanan Terhadap Umur Isolasi
Pengaruh pembebanan terhadap umur transformator dapat terjadi karena 2
hal, yaitu pada kondisi beban stabil dan pada kondisi beban berubah-ubah.
2.8.1 Pada Kondisi Beban Stabil
2.8.1.1 Kenaikan Temperatur Top Oil pada Beban Tertentu
Kenaikan temperatur top oil ini sama dengan kenaikan top oil pada besar
daya dikalikan dengan perbandingan dari total rugi-rugi dan dipangkatkan dengan
x.
Persamaan ini dirumuskan [9]:
∆�� = ∆��� �
Dimana:
∆��
∆���
1+� � 2 �
1+�
� …………………………………………………….……….(2.14)
= kenaikan temperatur top oil
= temperatur dengan besarnya :
∆��� = 55 0C untuk ON, dan
∆��� = 40 0C untuk OF
x
= tergantung dari jenis pendingin, besarnya:
x = 0,9 untuk ONAN dan ONAF
x = 1,0 untuk OFAF dan OFWF
d
= perbandingan rugi
=
K
rugi daya pada pengenal
rugi beban nol
= rasio pembebanan, dirumuskan:
=
�
��
2.8.1.2 Kenaikan Temperatur Hot-spot pada Beban Tertentu
Kenaikan temperature Hot-spot dapat dirumuskan dengan [9]:
∆�� = ∆�� + (∆��� − ∆��� )� 2� ………………………………………….....(2.15)
Dengan memasukkan persamaan (2.14) di atas maka akan diperoleh:
Universitas Sumatera Utara
∆�� =
Dimana:
1+� �2
∆��� �
�
1+�
∆��� = 78 0C
�
+(∆��� − ∆��� )� 2� …………………………....(2.16)
∆��� = tergantung pada jenis pendingin
∆��� = 55 0C untuk ON, dan
y
∆��� = 40 0C untuk OF
= tergantung pada jenis pendingin
y = 0,8 untuk ONAN dan ONAF
y = 0,9 untuk OFAF dan OFWF
∆�� = kenaikan temperatur hot-spot
K = rasio pembebanan
2.8.2 Pada Kondisi Untuk Beban Berubah-ubah
2.8.2.1 Kenaikan Temperatur Top Oil
Kenaikan temperatur top oil ∆��� setelah pemakaian setelah pemakaian
selama t mendekati persamaan eksponensial yang dapat dirumuskan [9]:
∆��� = ∆��0 + (∆�� − ∆��0 )�1 − � −�/� � ………………………………….(2.17)
Dimana:
∆��0 = kenaikan temperatur awal minyak
∆��
= kenaikan temperatur akhir minyak yang telah distabilkan
sesuai dengan pertimbangan beban
�= waktu dalam jam, dengan:
� = 3 jam untuk ONAN dan ONAF
� = 2 jam untuk OFAF dan OFWF
∆��� = kenaikan temperatur top oil
2.8.2.2 Kenaikan Temperatur Hot-spot
Kenaikan temperature hot-spot pada saat waktu tertentu sebelum
distabilkan dapat diperoleh dengan mengasumsikan bahwa kenaikan temperatur
hot-spot adalah di atas kenaikan temperatur top oil [9].
Universitas Sumatera Utara
Kenaikan temperatur hot-spot pada saat tertentu dapat dirumuskan:
∆�� = ∆��� + (∆��� − ∆��� )�2� ……………………………………………..(2.18)
Dengan memasukkan persamaan (2.17) di atas, maka akan diperoleh persamaan:
∆�� = ∆��0 + (∆�� − ∆��0 )�1 − � −�/� � + (∆��� − ∆��� )�2� …….(2.19)
Dimana:
∆�� = kenaikan temperatur hot-spot
∆��0 = kenaikan temperatur awal minyak
∆�� = kenaikan temperatur akhir minyak yang telah distabilkan
sesuai dengan pertimbangan beban
�= waktu dalam jam, dengan:
� = 3 jam untuk ONAN dan ONAF
� = 2 jam untuk OFAF dan OFWF
∆��� = kenaikan temperatur top oil
y
= tergantung pada jenis pendingin
y = 0,8 untuk ONAN dan ONAF
y = 0,9 untuk OFAF dan OFWF
K
= rasio pembebanan
2.9 Penentuan Umur Isolasi Transformator.
Umur isolasi transformator dipengaruhi oleh
panas yang terjadi dan
waktu. Untuk menentukan umur transformator biasanya digunakan persamaan
Arrhenius [6]:
� = � �+� /� ……………………………………………………………………………...(2.20)
Dimana:
D
= umur transformator yang diinginkan
� + � = konstanta material
T
= suhu absolut dari hotspot
Universitas Sumatera Utara
Untuk
level
temperatur
pengoperasian
transformator,
Montsinger
mengusulkan hubungan persamaan yang lebih sederhana, yaitu:
� = � � −�� ……………………………………………………………………………...(2.21)
Dimana:
D
= umur transformator yang diinginkan
K dan p = konstanta material
v
= temperature hot-spot ( 0C)
2.10 Umur Pemakaian Relatif
Persamaan Montsinger dapat digunakan untuk menentukan umur
pemakaian relatif pada temperatur �� , dibandingkan dengan umur pada saat
pemakaian normal ��� . Dirumuskan [9]:
�=
penggunaan umur saat θ c
penggunaan umur saat θ cr
= 2(θ c −θ cr )/6
� =� 0,693(θc−θcr)/6…………………………….......................…………..............(2.22)
Dimana:
� = umur pemakaian relatif
��� = 98 0C (nilai ini dari publikasi IEC 76 (1967)
Bila persamaan (2.22) di atas diubah dalam bentuk log10 , maka akan
diperoleh persamaan:
� = 10(θ c −98)/19,93 …………………………………………………………………(2.23)
2.11 Persamaan Diagram Kehilangan Umur dalam Periode 24 Jam
Pengoperasian transformator dapat dibagi dalam dua macam, yaitu saat
pengoperasian dengan temperatur konstan dan pengoperasian dengan temperatur
berubah-ubah.
Universitas Sumatera Utara
2.11.1 Pengoperasian dalam Temperatur Konstan
Umur
pemakaian
pada
pengoperasian
temperatur
konstan dapat
dirumuskan dengan tV.
2.11.2 Pengoperasian dalam Temperatur Berubah-ubah
Umur pemakaian pada pengoperasian temperatur berubah-ubah dapat
�
dirumuskan dengan ∫0 ���.
2.11.3 Durasi Pengoperasian yang Masih Diijinkan pada ��
Dari persamaan (2.23) diperoleh:
�� = 98 + 19,93 log10 �……………………………………………………………(2.24)
Umur pemakaian dalam jam:
�� = � x10(�� −98)/19.93 ……………………………………………………………...(2.25)
Sehingga tV sama dengan 24:
�=
24
�
= 24 x 10(�� −98)/19.93………………………………………..…………(2.26)
Universitas Sumatera Utara