BAB II LANDASAN TEORI
2.1. Proses Penyaluran Tenaga Listrik
Tenaga listrik dibangkitkan dipusat – pusat listrik ( power station) station) seperti PLTA, PLTU, PLTD, PLTP dan PLTG kemudian disalurkan melalui saluran transmisi setelah terlebih dahulu dinaikkan tegannya oleh transformator penaik tegangan yang berada di pusat listrik. Saluran transmisi tegangan tinggi kebanyakan mempunyai tegangan 30 kV, 66 kV, 150 kV dan 500 kV. Khusus untuk tegangan 500 kV dalam prakteknya sering disebut tegangan ekstra tinggi. Setelah melalui saluran transmisi maka tenaga listrik sampai ke gardu induk ( sub station station ) untuk diturunkan menjadi tegangan menengah atau tegangan distribusi primer yang bertegangan 6 kV, 12 kV atau 20 kV. Yang terakhir di sebutkan adalah yang cenderung di gunakan di indonesia. Jaringan setelah keluar dari gardu induk biasa di sebut jaringan distribusi, sedangkan jaringan antara pusat listrik dan gardu induk biasa disebut jaringan transmisi, baik saluran transmisi atau pun saluran distribusi ada yang berupa saluran udara dan ada yang berupa kabel tanah. Setelah melalui jaringan distribusi primer maka kemudian tenaga listrik diturunkan tegangannya dalam gardu – gardu distribusi menjadi tegangan rendah atau jaringan distribusi sekuder dengan tegangan 380 V atau 220 V. Melalui jaringan tegangan rendah untuk selanjutnya disalurkan ke rumah – rumah pelanggan (konsumen) melalui sambungan rumah hingga ke alat pengukur dan pembatas di rumah – rumah pelanggan atau biasa di sebut kWh Meter.
Gambar 2.1 Sistem Penyaluran Tenaga Listrik 2.2. Gardu Induk ( sub
station )
Gardu Induk merupakan sub merupakan sub sistem sistem dari sistem penyaluran (transmisi (transmisi)) tenaga listrik, atau merupakan satu kesatuan dari sistem penyaluran (transmisi (transmisi), ), Penyaluran (transmisi (transmisi)) merupakan sub sistem dari sistem tenaga listrik. Berarti, gardu induk merupakan sub-sub sistem dari sistem tenaga listrik. Sebagai sub sistem dari sistem penyaluran (transmisi (transmisi), ), gardu induk mempunyai peranan penting, dalam pengoperasiannya tidak dapat dipisahkan dari sistem penyaluran (transmisi) transmisi) secara keseluruhan. Dalam pembahasan ini difokuskan pada masalah gardu induk yang pada umumnya terpasang di Indonesia, pembahasannya bersifat praktis (terapan) sesuai konsttruksi yang terpasang di lapangan.
Tegangan yang dibangkitkan generator terbatas dalam belasan kilovolt, sedangkan transmisi membutuhkan tegangan dalam puluhan sampai ratusan kilovolt, sehingga diantara pembangkit dan transmisi dibutuhkan trafo daya step up. Oleh karena itu, semua peralatan yang terpasang di sisi sekunder trafo ini harus mampu memikul tegangan tinggi. Tegangan transmisi dalam puluhan sampai ratusan kilovolt sedangkan konsumen membutuhkan tegangan ratusan sampai dua puluhan kilovolt, sehingga diantara transmisi dan konsumen dibutuhkan trafo daya step down. Semua perlengkapan yang terpasang di sisi primer trafo ini juga harus mampu memikul tegangan tinggi. Trafo- trafo daya ini bersama perlengkapan-perlengkapannya disebut gardu induk. 2.2.1 Fungsi Gardu Induk
Mentransformasikan daya listrik : 1. Dari tegangan ekstra tinggi ke tegangan tinggi (500 KV/150 KV). 2. Dari tegangan tinggi ke tegangan yang lebih rendah (150 KV/ 70 KV). 3. Dari tegangan tinggi ke tegangan menengah (150 KV/ 20 KV, 70 KV/20 KV). 4. Dengan frequensi tetap (di Indonesia 50 Hertz). 5. Untuk pengukuran, pengawasan operasi serta pengamanan dari sistem tenaga listrik.
6. Pengaturan pelayanan beban ke gardu induk-gardu induk lain melalui tegangan tinggi dan ke gardu distribusi-gardu distribusi, setelah melalui proses penurunan tegangan melalui penyulang-penyulang ( feeder- feeder ) tegangan menengah yang ada di gardu induk. 7. Untuk sarana telekomunikasi (pada umumnya untuk internal PLN), yang kita kenal dengan istilah SCADA.
2.2.2 Jenis Gardu Induk
Jenis Gardu Induk bisa dibedakan menjadi beberapa bagian yaitu : 1. Berdasarkan besaran tegangannya. 2. Berdasarkan pemasangan peralatan 3. Berdasarkan fungsinya. 4. Berdasarkan isolasi yang digunakan. 5. Bedasarkan sistem (busbar ). Dilihat dari jenis komponen yang digunakan, secara umum antara GITET dengan GI mempunyai banyak kesamaan. Perbedaan mendasar adalah : 1. Pada GITET transformator daya yang digunakan berupa 3 buah tranformator daya masing – masing 1 phasa (bank tranformer ) dan dilengkapi peralatan reaktor yang berfungsi mengkompensasikan daya rekatif jaringan. 2. Sedangkan pada GI (150 KV, 70 KV) menggunakan Transformator daya 3 phasa dan tidak ada peralatan reaktor. Berdasarkan besaran tegangannya, terdiri dari : 1. Gardu Induk Tegangan Ekstra Tinggi (GITET) 275 KV, 500 KV. 2. Gardu Induk Tegangan Tinggi (GI) 150 KV dan 70 KV. 2.2.3 Berdasarkan Pemasangan Peralatan
Gardu Induk Pasangan Luar : 1. Adalah gardu induk yang sebagian besar komponennya di tempatkan di luar gedung, kecuali komponen kontrol, sistem proteksi dan sistem kendali serta komponen bantu lainnya, ada di dalam gedung. 2. Gardu Induk semacam ini biasa disebut dengan gardu induk konvensional.
3. Sebagian besar gardu induk di Indonesia adalah gardu induk konvensional. 4. Untuk daerah-daerah yang padat pemukiman dan di kota-kota besar di Pulau Jawa, sebagian menggunakan gardu induk pasangan dalam, yang disebut Gas Insulated Substation atau Gas Insulated Switchgear (GIS). Gardu Induk Pasangan Dalam : 1. Adalah gardu induk yang hampir semua komponennya (switchgear , busbar , isolator, komponen kontrol, komponen kendali, cubicle, dan lain-lain) dipasang di dalam gedung. Kecuali transformator daya, pada umumnya dipasang di luar gedung. 2. Gardu Induk semacam ini biasa disebut Gas Insutaled Substation (GIS). 3. GIS merupakan bentuk pengembangan gardu induk, yang pada umumnya dibangun di daerah perkotaan atau padat pemukiman yang sulit untuk mendapatkan lahan.
Beberapa keuanggulan GIS dibanding GI konvensional : 1. Hanya membutuhkan lahan seluas ± 3.000 meter persegi atau ± 6 % dari luas lahan GI konvensional. 2. Mampu menghasilkan kapasitas daya ( power capasity) sebesar 3 x 60 MVA bahkan bisa ditingkatkan sampai dengan 3 x 100 MVA. 3. Jumlah penyulang keluaran (output feeder ) sebanyak 24 penyulang ( feeder ) dengan tegangan kerja masing-masing 20 KV. 4. Bisa dipasang di tengah kota yang padat pemukiman. 5. Keunggulan dari segi estetika dan arsitektural, karena bangunan bisa didesain sesuai kondisi disekitarnya.
Gardu Induk kombinasi pasangan luar dan pasangan dalam Adalah gardu induk yang komponen switchgear -nya ditempatkan di dalam gedung dan sebagian komponen switchgear ditempatkan di luar gedung, misalnya gantry (tie line) dan saluran udara tegangan tinggi (SUTT) sebelum masuk ke dalam switchgear . Transformator daya juga ditempatkan di luar gedung. 2.2.4 Berdasarkan Fungsinya
Gardu Induk Penaik Tegangan Mempunyai Karakteristik 1. Gardu induk yang berfungsi untuk menaikkan tegangan, yaitu tegangan pembangkit ( generator ) dinaikkan menjadi tegangan sistem. 2. Gardu Induk ini berada di lokasi pembangkit tenaga listrik. 3. Karena output voltage yang dihasilkan pembangkit listrik kecil dan harus disalurkan pada jarak yang jauh, maka dengan pertimbangan efisiensi, tegangannya dinaikkan menjadi tegangan ekstra tinggi atau tegangan tinggi. Gardu Induk Penurun Tegangan : 1. Adalah gardu induk yang berfungsi untuk menurunkan tegangan, dari tegangan tinggi menjadi tegangan tinggi yang lebih rendah dan menengah atau tegangan distribusi. 2. Gardu Induk terletak di daerah pusat-pusat beban, karena di gardu induk inilah pelanggan (beban) dilayani. Gardu Induk Pengatur Tegangan : 1. Pada umumnya gardu induk jenis ini terletak jauh dari pembangkit tenaga listrik. 2. Karena listrik disalurkan sangat jauh, maka terjadi tegangan jatuh (voltage drop) transmisi yang cukup besar.
3. Oleh karena diperlukan alat penaik tegangan, seperti bank capasitor , sehingga tegangan kembali dalam keadaan normal. Gardu Induk Pengatur Beban : 1. Berfungsi untuk mengatur beban. 2. Pada gardu induk ini terpasang beban motor, yang pada saat tertentu menjadi pembangkit tenaga listrik, motor berubah menjadi generator dan suatu saat generator menjadi motor atau menjadi beban, dengan generator berubah menjadi motor yang memompakan air kembali ke kolam utama.
Gardu Induk Distribusi : 1. Gardu induk yang menyalurkan tenaga listrik dari tegangan sistem ke tegangan distribusi. 2. Gardu induk ini terletak di dekat pusat-pusat beban. 2.2.5Berdasarkan Isolasi Yang digunakan
Gardu Induk yang menggunakan isolasi udara : 1. Adalah gardu induk yang menggunakan isolasi udara antara bagian yang bertegangan yang satu dengan bagian yang bertegangan lainnya. 2. Gardu Induk ini berupa gardu induk konvensional (lihat gambar 2.2), memerlukan tempat terbuka yang cukup luas.
Gambar 2.2 Gardu induk konvensional Gardu Induk yang menggunakan isolasi gas SF 6 : 1. Gardu induk yang menggunakan gas SF 6 sebagai isolasi antara bagian yang bertegangan yang satu dengan bagian lain yang bertegangan, maupun antara bagian yang bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan. 2. Gardu induk ini disebut Gas Insulated Substation atau Gas Insulated Switchgear (GIS), yang memerlukan tempat yang sempit.
Gambar 2.3 Gas Insulated Substation (GIS) 2.2.6 Berdasarkan Sistem Rel ( Busbar )
Rel (busbar ) merupakan titik hubungan pertemuan (connecting ) antara transformator daya, SUTT/ SKTT dengan komponen listrik lainnya, untuk menerima dan menyalurkan tenaga listrik. Berdasarkan sistem rel (busbar ), gardu induk dibagi menjadi beberapa jenis, sebagaimana tersebut di bawah ini : Gardu Induk sistem ring busbar :
1. Adalah gardu induk yang busbarnya berbentuk ring . 2. Pada gardu induk jenis ini, semua rel (busbar ) yang ada, tersambung (terhubung) satu dengan lainnya dan membentuk ring (cincin). Gardu Induk sistem single busbar : 1. Adalah gardu induk yang mempunyai satu ( single) busbar. 2. Pada umumnya gardu dengan sistem ini adalah gardu induk yang berada pada ujung (akhir) dari suatu sistem transmisi. Single line diagram gardu sistem single busbar , lihat gambar 2.4.
Gambar 2.4Single line diagram gardu induk single busbar . Gardu Induk sistem double busbar Adalah gardu induk yang mempunyai dua (double) busbar . Gardu induk sistem double busbar sangat efektif untuk mengurangi terjadinya pemadaman beban, khususnya pada saat melakukan perubahan sistem (manuver sistem). Jenis gardu induk ini pada umumnya yang banyak digunakan.Single line diagram gardu induk sistem double busbar , lihat gambar 2.5.
Gambar 2.5Single line dia ram gardu induk sistem double busbar . Gardu Induk sistem satu setengah (on half ) busbar : 1. Gardu induk yang mem unyai dua (double) busbar. 2. Pada umumnya gardu i duk jenis ini dipasang pada gardu induk di pembangkit tenaga listrik atau gardu induk yang berkapasitas besar. 3. Dalam segi operasion l, gardu induk ini sangat efektif, karena d pat mengurangi pemadaman beban pada saat dilakukan perubahan sistem (manuver syst em). 4. Sistem ini menggunakan 3 buah PMT dalam satu diagonal yang terpa ang secara deret (seri). Single line diagram, lihat gambar 2.6.
Gambar 2.6 Single line diagram gardu induk satu setengah busbar 2.2.7 Pertimbangan Pem bangunan Gardu Induk
1. Kebutuhan ( Demand ) beban yang semakin meningkat, mendekati bahkan melebihi kemampuan GI yang ada. 2. Jika kondisi GI eksisting masih memungkinkan, biasanya cukup dilakukan up- rating atau menaikkan kapasitas GI yang ada, misalnya dengan melakukan penggantian dan penambahan transformator daya. 3. Adanya perluasan daerah/ wilayah atau adanya daerah/ wilayah baru, yang pasti membutuhkan ketersediaan/ pasokan daya listrik cukup besar. 4. Adanya pembangunan infra struktur bagi kawasan industri (industrial estate). 5. Proyeksi kebutuhan daya listrik untuk jangka waktu tertentu, sehingga perlu disiapkan gardu induk baru atau perluasan gardu induk. 6. Adanya pengembangan sistem tenaga listrik secara terpadu, misalnya pembangunan pembangkit listrik - pembangkit listrik baru, sehingga dilakukan perluasan sistem penyaluran (transmisi), tentunya dibarengi dengan pembangunan GI-GI baru atau perluasan. 2.2.8 Gas
Insulated Substation (GIS)
Secara prinsip peralatan yang dipasang pada GIS sama dengan peralatan yang dipakai GI Konvensional. Perbedaannya adalah : 1. Pada GIS peralatan-peralatan utamanya berada dalam suatu selubung logam tertutup rapat, yang di dalamnya berisi gas bertekanan, yaitu gas SF 6 (Sulphur Hexafluorida). 2. Gas SF 6 berfungsi sebagai isolasi switchgear dan sebagai pemadam busur api pada operasi Circuit Breaker (CB). 3. Dengan demikian cara pemasangan GIS berbeda dengan GI Konvensional. Pengembangan GIS :
1. Pada mulanya GIS didesain dengan sistem selubung phasa tunggal. 2. Dengan semakin majunya teknologi kelistrikan, maka saat ini sebagian besar GIS memakai desain selubung tiga phasa dimasukkan dalam satu selubung. Keuntungan sistem selubung tiga phasa adalah : lebih murah, lebih ringan, lebih praktis dan pemasangannya lebih mudah, meminimalkan kemungkinan terjadinya kebocoran gas dan lebih sederhana susunan isolasinya. Pertimbangan penggunaan gas SF 6 dalam GIS, adalah : 1. Kekuatan dielektrik tinggi, yaitu pada tekanan udara normal sebesar 2,5 kali dielektrik udara. 2. Tidak mudah terbakar dan tidak berbau. 3. Tidak beracun dan tidak berwarna. 4. Mengikuti hukum gas-gas pada umumnya. 5. Berat molekul 146 (udara 29). 6. Kepekaan ± 6 kg/m3 pada 0,1 MFA dan 100 C. GIS-GIS yang terpasang di Indonesia, adalah GIS 150 KV : 1. Dipasang di kota-kota besar dan terbatas hanya di Pulau Jawa. 2. Sistem penyaluran (transmisi) menggunakan kabel tanah (SKTT). 3. Hampir semua komponen GIS terpasang (ditempatkan) dalam gedung, kecuali transformator tenaga, pada umumnya dipasang (ditempatkan) di luar gedung. 4. Komponen listrik pada GIS merupakan suatu kesatuan yang sudah berwujud rigid (kompak). Untuk pemasangannya tinggal meletakkan di atas pondasi. 2.3.
Trafo Distribusi
Trafo Distribusi adalah merupakan suatu komponen yang sangat penting dalam penyaluran tenaga listrik dari gardu distribusi ke konsumen. Kerusakan pada Trafo Distribusi menyebabkan kontiniutas pelayanan terhadap konsumen akan terganggu (terjadi pemutusan aliran listrik atau pemadaman). Pemadaman merupakan suatu kerugian yang menyebabkan biaya-biaya pembangkitan akan meningkat tergantung harga KWH yang tidak terjual. Pemilihan rating Trafo Distribusi yang tidak sesuai dengan kebutuhan beban akan menyebabkan efisiensi menjadi kecil, begitu juga penempatan lokasi Trafo Distribusi yang
tidak
cocok
mempengaruhi
drop
tegangan
ujung
pada
konsumen
atau
jatuhnya/turunnya tegangan ujung saluran/konsumen. Transformator atau trafo adalah komponen elektromagnet yang dapat merubah tegangan tinggi ke rendah atau sebaliknya dalam frekuensi sama. Trafo merupakan jantung dari distribusi dan transmisi yang diharapkan beroperasi maksimal (kerja terus menerus tanpa henti). Agar dapat berfungsi dengan baik, makan trafo harus dipelihara dan dirawat dengan baik menggunakan sistem dan peralatan yang tepat. Trafo dapat dibedakan berdasarkan tenaganya, trafo 500/150 kV dan 150/70 kV biasa disebut trafo Interbus Transformator (IBT) dan trafo 150/20 kV dan 70/20 kV disebut trafo distribusi. Trafo pada umumnya ditanahkan pada titik netral sesuai dengan kebutuhan untuk sistem pengamanan atau proteksi. Sebagai contoh trafo 150/20 kV ditanahkan secara langsung di sisi netral 150 kV dan trafo 70/20 kV ditanahkan dengan tahanan rendah atau tahanan tinggi atau langsung di sisi netral 20 kV.
2.3.1 Trafo Distribusi dan bagiannya
Bagian-bagian trafo distribusi adalah : 1. Primary
winding
2.Secondary
winding
3.Core
Transformator distribusi berfungsi untuk menurunkan tegangan transmisi menengah 20kV ketegangan distribusi 220/380V sehingga peralatannya adalah unit trafo( 3 phase ). Beberapa Komponen Trafo Distribusi 1. Kumparan Tersier : Selain primer dan sekunder ada beberapa trafo yang dilengkapi dengan kumparan ketiga atau tertiary winding . Ini diperlukan untuk memperoleh tegangan tersier atau untuk kebutuhan lain. Kumparan tersier sering dipergunakan juga untuk penyambungan peralatan bantu seperti kondensator synchrone, kapasitor shunt dan reactor shunt. 2. Media pendingin : Minyak trafo harus memenuhi syarat diantaranya. : a. ketahanan isolasi ( >10kV/mm ) b. Berat jenis harus kecil c. Viskositas Rendah d. Titik nyala yang tinggi, tidak mudah menguap yang dapat membahayakan e. Tidak merusak bahan isolasi padat( sifatkimia ‘y) 3. Tap changer ( perubah tap ) : Tap Changer adalah perubah perbandingan transformator untuk mendapatkan tegangan operasi sekunder sesuai yang diinginkan dari tegangan jaringan / primer yang
berubah-ubah. Tap changer dapat dioperasikan baik dalam keadaan berbeban( on-load ) atau dalam keadaan tak berbeban ( off load ), tergantung jenisnya. Trafo Distribusi dapat dipasang diluar ruangan (pemasangan diluar) dan dapat dipasang diruangan (pemasangan dalam) tergantung kepada keadaan lokasi beban. Pemeliharaan merupakan salah satu kompanen yang secara langsung mendukung keandalan, daya mampu serta mutu produksi dari suatu peralatan. Pemeliharaan tidak saja merupakan pekerjaan pisik yang langsung terhadap peralatan yang bersangkutan, tetapi diperlukan suatu perencanaan yang baik dan pengawasan terhadap pelaksanaannya, sehingga dengan demikian pemeliharaan akan dapat dilakukan dengan teratur dan sesuai dengan ketentuan-ketentuan, petunjuk-petunjuk yang berlaku terhadap peralatan yang bersangkutan. Distribusi yang tepat, rating sesuai dengan kebutuhan beban akan menjaga tegangan jatuh pada konsumen dan akan menaikkan efisiensi penggunaan Trafo Distribusi. Jadi Transformator Distribusi merupakan salah satu peralatan yang perlu dipelihara dan dipergunakan sebaik mungkin (seefisien mungkin), sehingga keandalan/kontinuitas pelayanan terhadap terjamin.
2.4. Penuaan Isolasi Trafo
Secara disain, biasanya umur trafo berkisar 30-40 tahun. Namun demikian, trafo yang dipasang tahun 1940 – 1950-an banyak yang sekarang masih beroperasi dengan normal. Ada fakta-fakta yang harus kita ketahui, misalnya bahwa isolasi trafo mengalami penuaan, belitan trafo harus diisolasi dari turn ke turn dan dari coil ke coil, ada berbagai bahan material yang bisa dipakai untuk isolasi ini.
Untuk trafo daya, bahan isolasi yang biasa dipakai adalah kertas Kraft (kertas isolasi selulosa). Sekarang juga mulai banyak bahan kertas sintetik yang dipakai, yang bisa beroperasi pada temperatur kerja tinggi (isolasi hybrid ), yang dikenal sebagai kertas Aramid. Di awal abad ke-20 bahan isolasi yang dipakai adalah asbestos, low grade pressboard, kertas shellac impregnated . Kemudian dikembangkan kertas resin impregnated , lalu kertas isolasi dengan selulosa high sulfate. Kertas, pressboard , transformer board dari selulosa adalah bahan isolasi yang paling banyak digunakan. Minyak hidrokarbonjuga merupakan bagian dari isolasi. Isolasi solid seperti kertas, press board dan transformer board terbuat dari selulosa tumbuhan. Sumber utama serat selulosa adalah kayu. Kayu mengandung 40 sampai 50% selulosa, 20 sampai 30% lignin dan 10 sampai 30% hemi selulosa. Selulosa sendiri adalah polimer linier yang unit-unit glukosa-nya terhubung pada atom Karbon yang pertama dan ke-4. Selulosa dalam keadaan baru mempunyai 1000 sampai 3000 rantai glukosa. Kertas Kraft mengandung polimer selulosa dengan berat molekul tinggi sekitar 75 sampai 90%, hemi selulosa dengan berat molekul rendah 10 sampai 20% dan lignin 0 sampai 5%. Selulosa adalah polimer linier yang terdiri dari unit-unit glukosa anhydrous tunggal yang terhubung pada atom-atom Karbon pertama dan keempat melalui ikatan glukosidik . Jumlah unit monomer dalam polimer disebut sebagai degree of polymerisation. Sering kali, kualitas selulosa diukur dari tingkat polimerisasi (DP) dengan metode viskometrik ratarata. Panjang rantai selulosa yang diukur dari tingkat polimerisasi rata-rata berdasar metode viskositas dinyatakan oleh DP.
Kekuatan isolasi bergantung pada: 1.Komposisi 2.Berat
kimia
molekul polimer
3. Morfologi
polimer
Pada isolasi padat, pengeringan dan impregnasi minyak sangat penting untuk menjaga kekuatan isolasi kertas. Kadang-kadang kapas juga dipakai sebagai isolasi. Kertas yang telah diupgrade secara thermal disebut kertas Aramid yang terbuat 100% dari serat polyamide aromatik . Penggunaan kertas Aramid tidak terlalu umum karena mahal. Minyak trafo modern mempunyai ketahanan dielektrik yang tinggi, viskositas rendah, bebas dari sludging , hambatannya bagus terhadap listrik statis. Minyak trafo terdiri dari senyawa campuran hidrokarbon. Kandungan utamanya adalah Parafin, Iso Parafin, Naphtene dan Aromatic. Cairan Silicone lebih baik daripada minyak mineral namun lebih mahal. Aplikasi pada trafo distribusi kecil dan trafo daya besar dibedakan. Pada trafo kecil sampai dengan beberapa MVA, variasi isolasinya biasanya tidak banyak atau sistemnya konvensional, contohnya trafo jenis kering, trafo yang diisi minyak silicone dan trafo yang diisolasi gas dan didinginkan uap air. Untuk trafo yang bekerja pada suhu tinggi, serat Aramid merupakan alternatif yang bagus.
Gambar 2.7 Penuaan material isolasi trafo 2.5. Pengertian Over Eksitasi
Over eksitasi pada transformator merupakan suatu kejadian dimana inti transformator mengalami saturasi karena fluks magnetik yang mengalir di inti meningkat sehingga meningkatkan arus eksitasi yang melebihi batas desain peralatan. Seringkali tanpa disadari suatu transformator yang beroperasi pada jaringan mengalami over eksitasi. Oleh karena itu perlu diketahui penyebab terjadinya over eksitasi pada transformator. 2.6. Penyebab Terjadinya Over Eksitasi
Dalam jaringan, seringkali jarak antara IBT 500/150 kV dengan transformator 150/20 kV sangat jauh hingga ratusan kilometer. Keadaan ini tentu saja menyebabkan tegangan suplai ke transformator 150/20 kV menjadi turun, bernilai lebih rendah, dibawah tegangan nominalnya bahkan hingga batas toleransi minimum yang diperbolehkan, sehingga tegangan di sisi sekunder (penyulang) pun akan ikut turun, berada di bawah tegangan nominalnya. Begitu juga saat suatu transformator dari keadaan tidak berbeban, kemudian menjadi berbeban, maka tegangan di sisi sekunder akan turun dibandingkan tegangan ratingnya (mengalami voltage drop).
Untuk menjaga kualitas ke sisi konsumen, transformator-transfomator ke sisi penyulang ini harus dinaikkan kembali tegangannya agar kualitas tegangan yang disyaratkan terpenuhi. Hal ini biasanya dilakukan dengan pengoperasian OLTC (On Load Tap Changer ) pada posisi tap tertentu sehingga diperoleh nilai tegangan sekunder yang sesuai. 2.7. Over Eksitasi Pada Transformator
Seperti yang telah disebutkan diatas bahwa over eksitasi terjadi karena fluks yang mengalir di inti meningkat. Penjelasan ini dapat lebih mudah dipahami dengan rumus:
Vp Vs
=
Np s
................................................................................................... .. (1)
Tegangan primer (Vp) merupakan tegangan yang diterima dari suplai, sehingga nilainya tetap. Sedangkan tegangan sekunder (Vs) merupakan tegangan hasil konversi transformator sesuai dengan perbandingan lilitan. Nilai tegangan sekunder ini akan dinaikkan kembali ke nilai nominal agar kualitas terjaga. Belitan sekunder ( Ns) bernilai tetap, sehingga untuk menaikkan kembali tegangan sekunder, dilakukan dengan mengurangi panjang belitan primer yang digunakan (memperkecil rasio belitan) dengan pengoperasian OLTC (penaikan tap-changer ). Hukum faraday menyatakan bahwa gaya gerak listrik (GGL) sebanding dengan ratarata perubahan fluks. e(t ) = − N d φ
dt
............................................................................................ (2)
d (φ max sin ω t ) e(t ) = − N
....................................................................... (3) dt
e(t ) = N ωφ max cos ω t .................................................. .............................. (4)
φ = B. A =
iN A .............................................................................. ........... (5) l
Pada frekuensi 50 Hz, maka: . max ........................................................... ..................... (6) E max = N . . A B dengan ω = 2π f Pada operasi steady-state, nilai rms dari induksi GGL ini adalah: E rms =
2π 2
f . N . A B . max =
2π . f . N . A B . max ......................................... (7)
Pada bagian primer transformator, tegangan ( E ) bernilai tetap, frekuensi sistem ( f ) konstan, luas penampang inti ( A) juga tetap. Oleh karena itu, penurunan panjang belitan primer ( N ) yang digunakan akan menyebabkan peningkatan densitas fluks ( B) yang terjadi karena bertambahnya fluks yang mengalir pada inti transformator. Fluks yang mengalir pada suatu penghantar sebanding dengan besar arus. Peningkatan jumlah fluks yang mengalir pada inti akan meningkatkan arus eksitasi. Peningkatan arus eksitasi ini dapat menyebabkan transformator mengalami over eksitasi. Nilai over eksitasi yang terjadi adalah sebesar tegangan sistem dibagi dengan tegangan desain yang sesuai dengan pilihan tap-nya. Over eksitasi =
tegangan sistem tegangan pada tap
.............................. .............................. (8)
Fluks magnetik pada inti transformator besarnya sebanding dengan tegangan dan berbanding terbalik dengan frekuensi sistem [8]. E =
φ =
2π . f . N .φ ............................................................. .............................. (9)
E 2π . f . N
............................................................................................ (10)
Oleh karena itu, satuan eksitasi adalah per unit tegangan dibagi dengan per unit frekuensi (volt/hertz ). Over eksitasi terjadi jika per unit volt/hertz melebihi batas desain peralatan [8]. Kondisi over voltage dan/atau under frequency dapat menghasilkan suatu level fluks yang menyebabkan inti transformator mengalami saturasi. Keadaan operasi yang tidak normal ini dapat terjadi pada setiap bagian dari sistem tenaga listrik, termasuk transformator, mengalami over eksitasi [7]. 2.8. Akibat Over Eksitasi Pada Transformator
Over eksitasi pada transformator menyebabkan kenaikan temperatur inti transformator dan
meningkatkan
temperatur
minyak
transformator
sebagai
media
pendingin
transformator, meningkatkan tingkat kebisingan (noise) dan getaran (vibration) pada transformator [7]. Beberapa transformator yang mengalami over eksitasi mengalami stress termal yang lebih besar dibandingkan dengan transformator sejenis pada beban yang sama jika tanpa over eksitasi. Over eksitasi dapat menyebabkan kerusakan permanen pada belitan dan inti transformator akibat panas yang disebabkan oleh arus eksitasi yang tinggi yang mengalir ketika tegangan meningkat tajam ke level saturasi [6]. Transformator akan menuju ke kondisi over eksitasi ketika tegangan sistem berubah, ketika beban berubah dan/atau faktor daya (PF ) berubah, atau ketika kombinasi antara tegangan sistem dan kondisi beban [6]. Peningkatan over eksitasi juga dapat menyebabkan penurunan kemampuan menyuplai daya pada transformator. Walaupun penurunan ini tidak terlalu besar, hot spot akan meningkat dan menyebabkan terjadinya penuaan pada isolasi transformator sehingga
terjadi penurunan masa hidup (lifetime) isolasi transformator yang cukup mengkhawatirkan [4]. Over eksitasi pada transformator dapat menyebabkan kerusakan termal pada inti akibat fluks besar yang berlebihan pada rangkaian magnetik. Fluks yang berlebih ini membuat inti besi mengalami saturasi dan mengalir ke dalam struktur yang berdekatan, menyebabkan tingginya rugi-rugi arus Eddypada inti dan material konduktor yang berdekatan [8]. 2.9. Rugi-rugi Inti
Adanya over eksitasi akan menghasilkan rugi-rugi. Rugi-rugi saat over eksitasi ini terjadi di inti. Rugi-rugi ini adalah rugi-rugi tanpa beban (no-load losses). Rugi-rugi inti ini lebih bergantung pada besar fluks dibandingkan besar tegangan. Rugi-rugi inti dapat diklasifikasikan menjadi rugi-rugi hysteresis dan rugi-rugi arus eddy. Rugi-rugi inti akan meningkat saat terjadi over eksitasi [5]. Transformer losses
No Load losses
Eddy �current ������
Hysteresis ������
Load losses
Direct ������� (P ���
Stray losses
Winding Eddy ������ �� ���
Other Stray ������
Gambar 2.8 Klasifikasi Rugi-Rugi Pada Transformator [16] 2.9.1 Rugi-rugi Hysteresis
Jika suatu inti magnetik disuplai dengan tegangan AC (seperti pada gambar dibawah) pada belitannya, akan terbentuk kurva B-H . Saat terjadi satu siklus arus (atau tegangan), terbentuk kurva B-H yang melewati lintasan OZCZ’R’ [11].
Setelah beberapa siklus, karakteristik kurva B-H menjadi suatu loop seperti pada gambar. Kurva ini dinamakan loop hysteresis.
Gambar 2.9 Bentuk Gelombang Tegangan dan Kurva B-H [11] Rugi-rugi hysteresis per siklus merupakan luas kurva dapat dihitung dengan rumus [11]:
∫
Wh = Vol HdB ................................. ........................................................ (11)
dengan Wh merupakan rugi-rugi Hysteresis/unit volume. Karena arus melakukan f kali siklus dalam satu detik, rugi-rugi Hysteresis dalam volume V material ketika dioperasikan pada f Hz adalah [11]: Ph = Wh.V . f Watt................................................................... ................... (12)
Untuk menghindari perhitungan luas loop, Steinmetz memberikan rumus empiris untuk menghitung rugi-rugi hysteresis berdasarkan studi eksperimen, sehingga rugi-rugi Hysteresis dapat ditulis [9]: Ph = Kh. f . Bm n Watt/m ............................................................... ......... (13) 3
dengan konstanta Kh nilainya bergantung pada jenis material dan n merupakan eksponen Steinmetz yang nilainya bergantung pada jenis material [11].
2.9.2 Rugi-rugi Arus Eddy
Ketika inti magnetik dialiri fluks, tegangan terinduksi pada semua bagian yang dilewati fluks. Hal ini akan menghasilkan arus sirkulasi pada inti. Arus ini disebut arus 2
eddy dan menghasilkan rugi-rugi daya ( I R) yang disebut rugi-rugi arus Eddy [9]. Arus ini terbentuk karena adanya beda potensial diantara badan material karena perubahan fluks.
Gambar 2.10 Arus Eddy Pada Inti [11] Rugi-rugi arus Eddy dapat dihitung dengan rumus empiris [9]:
2 Watt/m ................................................... ................... (14) Pe = Ke. f 2 Bm . 3
dengan konstanta Ke nilainya bergantung pada jenis material. Rugi-rugi inti merupakan penjumlahan dari rugi-rugi Hysteresis dan rugi-rugi arus Eddy. Rugi-rugi ini dapat dihitung dengan rumus empiris: Pc = Ph + Pe ................................................................................... ......... (15) Pc = Kh. f . Bm n
2 Watt/m3 ................................................ (16) + Ke. f 2 Bm .
Dari rumus diatas, terlihat bahwa kenaikan densitas fluks menyebabkan kenaikan rugirugi inti. Hubungan antara rugi-rugi inti dengan eksitasi pada level ini dapat lebih baik diperkirakan berdasarkan frekuensi yang konstan menggunakan rumus sebagai berikut [6]:
q Pc = K Bm . ............................................... .............................................. (17) dengan q merupakan eksponen Steinmetz modifikasi dan bernilai sekitar 3,7 [6]. Dari persamaan (20), besar densitas fluks dapat dirumuskan: Erms
B max =
2π . f . N . A
.................................. .............................................. (18)
sehingga persamaan (17) dapat dijabarkan menjadi: Erms
Pc = K .(
2π . f . N . A
q ) .................................................................... ......... (19)
q Erms 1 q Pc = . K .( ) .................................................................... (20) q 2π . f . A N Dari persamaan (20) bisa dilihat bahwasanya prsamaan tersebut untuk mencari rugi-rugi inti transformator etika transformator dalam keadaan over eksitasi (tap 18) sehingga konsumsi beban saat posisi tap 18 akan menunjukkan arus beban tertinggi nya. Sehingga rugi-rugi berbeban ketika transformator menunjukkan arus beban tertinggi dijabarkan sesuai rumus: P LLB =
I B
2
I N
2
xP LLN .................................................. ..................................... (21)
Dimana P LLBmerupakan rugi-rugi pada arus beban tertinggi (kW ), I Barus beban yang terjadi (ampere), I N arus beban maksimal data pabrikan (ampere),P LLN rugi-rugi berbeban data pabrikan (kW ) .
Kenaikan beban pada transformator memicu rugi-rugi yang ditimbulkan juga semakin besar dan berbanding lurus dengan besar kenaikan suhu termal pada transformator itu sendiri, dimana suhu termal pada transformator terkonsentrasi pada beberapa bagian utama
yaitu tempertur minyak bagian atas trasnsformator dan tempertur hot spot maksimal transformator,
sehingga dari suhu bagian-bagian tersebut nantinya akan terakumulasi
menjadi temperatur hot spot maksimal/tempertur keseluruhan transformator. Temperatur minyak bagian atas transformator dipengaruhi oleh besar nya perbandingan rugi-rugi total akibat over eksitasi dan rugi-rugi total data pabikan dikalikan temperatur minyak data pabrikan(top oil temperature ise), sesuai rumus: 0.8
∆θ TOO
P = ∆θ TOR x TO ............................................... ............................ (22) P TR
Kemudian temperatur hot spot transformato meupakan penjumlahan kenaikan temperatur minyak bagian atas transformator dan HS factor x gradien, dimana ( HS factor = 14 dan gradient =1,3) sehingga didapat rumus:
∆θ HSO = ∆θ TOO + HS factor xgradient .................................................. ......... (23) Dari rumus (23) merupakan kenaikan hot spot transformator yang masih mengabaikan temperatur ambient (suhu lingkungan sekitar transformator), dimana suhu lingkungan sekitar
transformator
juga
ikut
mempengaruhi
dari
kenaikan
temperatur
hot
spot transformator itu sendiri. Sehingga didapat rumus : θ HSO = θ A + ∆ TOO + HS factor xgradien ........................................................ (24)
Kenaikan temperatur hot spot transformator memicu penuaan isolasi kertas pada transformator yang semakin cepat, dengan mempertimbangkan titik terpanas (hottest spot ) sehingga didapat rumus:
θ HSO − 98 .................................................................... ......... (25) 6
FAA = exp
