ANALISIS KEANDALAN TRAFO DAYA 500 KV PADA SISTEM TRANSMISI PT. PLN P3B JAWA BALI BERDASAR SWEEP FREQUENCY RESPONSE ANALYSIS (SFRA)

Transkripsi

1 ANALISIS KEANDALAN TRAFO DAYA 5 KV PADA SISTEM TRANSMISI PT. PLN P3B JAWA BALI BERDASAR SWEEP FREQUENCY RESPONSE ANALYSIS (SFRA) DENGAN METODE STOKASTIK Dendi Pramana, I.G.N Satriyadi H,ST.,MT., Dr.Eng. I Made Yulistya Negara, ST., M.Sc Program Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Gedung B dan C Sukolilo Surabaya 6111 Telp , s/d 54 pswt. 126, 1239 Fax Abstrak : PT. PLN P3B Jawa Bali sebagai perusahaan milik negara harus memenuhi standar operasi peralatan pendukung kinerjanya. Salah satu peralatan yang mempunyai peranan sangat penting dalam sistem transmisi tenaga listrik adalah transformator daya. Kegagalan pada transformator daya sering kali menyebabkan terjadinya gangguan pada sistem transmisi. Oleh karena itu, perlu diketahui kondisi dari transformator daya. Kondisi transformator tersebut dapat diketahui dengan melakukan pegujian Sweep Frequency Response Analysis. Dari pengujian yang telah dilakukan, selanjutnya dianalisis sehingga didapatkan keadaan dari transformator tersebut. Setelah kondisi transformator diketahui, dapat diperkirakan keandalannya dengan mengaplikasikan sistem predictive maintenance. Sistem tersebut sangat berhubungan dengan keandalan dari peralatan tenaga listrik. Pengaplikasian metode stokastik digunakan untuk mengetahui keandalan dari transformator daya. Salah satu metode stokastik yang dapat digunakan untuk menganalisis keandalan transformator daya adalah metode Poisson. Metode Poisson merupakan metode sederhana dari metode Markov. Selain itu, keandalan transformator juga dapat diketahui dengan memperhitungkan Forced Outage Rate dari transformator tersebut. Jika keandalan peralatan dapat diketahui, maka PT. PLN P3B Jawa Bali dapat mempertahankan kualitasnya sebagai pemasok energi listrik terbesar se-jawa Bali. menjadi prinsip dasar yang wajib dipenuhi untuk menjaga kontinyuitas sistem kelistrikan Indonesia. Namun, hal tersebut telah terabaikan dikarenakan terbatasnya dana dan kemampuan manusia. Keterbatasan tersebut dapat diatasi dengan mengaplikasikan predictive maintenance. Sistem ini dapat mengurangi faktor human error pada saat terjadi gangguan. Salah satu penyebab gangguan adalah kerusakan dan kegagalan pada transformator daya 5 kv. Transformator merupakan peralatan listrik yang penting karena berhubungan langsung dengan saluran transmisi dan distribusi listrik. Gangguan pada transformator dapat mengakibatkan terbakarnya transformator dan juga turunnya kinerja transformator. Oleh karena itu, perawatan dan pendeteksian kerusakan transformator perlu dilakukan secara rutin agar transformator bisa bekerja sesuai dengan masa pemakaian maksimumnya. 2. TRANSFORMATOR DAYA DAN RESPON FREKUENSI 2.1. Karakteristik Material Transformator [7] Secara umum transformator terdiri dari dua komponen penyusun, yakni material dielektrik, yang menyusun sistem isolasi transformator, yaitu isolasi cair (minyak transformator, askarel, dan silicon) dan isolasi padat (kertas kraft, pressboard, kayu, dan produk selulosa lainnya), dan material magnetik, yang terdiri dari belitan (winding) dan inti (core). Kata kunci : Sweep Frequency Response Analysis, Predictive Maintenance, Metode Poisson, dan Forced Outage Rate 1. PENDAHULUAN Sistem transmisi Jawa Bali merupakan sistem transmisi yang menanggung beban tertinggi di Indonesia. PT. PLN (Persero), sebagai satu satunya perusahaan milik negara yang menyediakan listrik, harus memenuhi standar operasi unit unit pendukung kinerjanya. Dalam hal ini, keandalan unit unit peralatan transmisi PT. PLN, khususnya sistem interkoneksi PT. PLN P3B JB, harus Gambar 2.1. Bagian Material Magnetik dan Dielektrik Transformator 1

2 Gambar 2.2. Rangkaian Ekivalen RLC Transformator 2.2. Definisi Fungsi Transfer Respon Frekuensi Fungsi transfer secara umum didefinisikan sebagai representasi matematika dari hubungan antara input dan output sistem linear-time invariant dengan kondisi mula nol. Untuk sistem linear, fungsi transfer tidak tergantung sinyal input yang diberikan dan fungsi transfer menggambarkan karakteristik sistem. Fungsi transfer dapat dinyatakan dalam respon frekuensi, yang merupakan respon fasa dan magnitude terhadap frekuensi. Respon frekuensi fungsi transfer dapat ditentukan melalui pengukuran respon fasa dan magnitude dengan eksperimen. 3. METODE PENGUKURAN KEANDALAN TRANSFORMATOR DAYA 3.1. Sweep Frequency Response Analysis (SFRA) Sweep Frequency Response Analysis Test (SFRA) adalah pengujian yang dilakukan 1 kali dalam 2 tahun untuk mengetahui kondisi inti dan belitan didalam transformator sehingga pengukuran SFRA sangat perlu dilakukan untuk menghindari adanya gangguan transfer daya pada trafo. Ada beberapa alasan sehingga harus dilakukan pengujian SFRA, antara lain : Tahap pembuatan agar diketahui kualitas transformator daya Terjadinya hubung singkat pada transformator Adanya pengujian impulse pada transformator Diketahui terdapat penurunan kinerja dari sistem tekanan mekanis kumparan Terdapat tanda tanda gangguan sistem transportasi pada transformator daya Telah terjadi perpindahan letak transformator Gambar 3.1. Proses Pengujian SFRA Secara garis besar ada dua tipe pengukuran FRA: 1. Pengukuran open circuit 2. Pengukuran short circuit Gambar 2.3. Diagram Blok Fungsi Transfer Sweep frequency merupakan metoda langsung untuk menentukan respon frekuensi karena sinyal input dalam daerah frekuensi tertentu langsung diberikan pada alat yang diukur. Gambar 2.4. Penentuan respon frekuensi pada metoda sweep frequency Gambar 3.2. Konfigurasi Pengukuran SFRA Pada peralatan Sweep Frequency Response Analyzer terdapat 3 probe, yang terdiri dari : 1. Probe Output, dihubungkan ke terminal bushing netral pada belitan transformator konfigurasi Y dengan netral atau dihubungkan ke bushing fasa pada belitan konfigurasi Δ. 2. Probe Referensi, dihubungkan ke bushing yang sama dengan probe output. Probe ini akan bertindak sebagai acuan titik netral pengukuran. 3. Probe Input, sebagai probe yang mengalirkan arus/tegangan sinusoidal ke fasa yang diukur. Sweep Frequency Response Analyzer akan menginjeksikan sinyal input dengan nilai tegangan yang kecil namun dengan frekuensi yang nilainya bervariasi 2

3 (antara 2 Hz - 2 MHz). Sweep Frequency Response Analyzer ini kemudian dihubungkan dengan komputer yang akan menampilkan respon frekuensi transformator pada display monitor. Low frequency dominan pada frequency 1 Hz sampai 1kHz, biasanya range ini mendeteksi gangguan di inti trafo (frekuensi rendah) diantaranya : a. Deformasi/kerusakan pada inti transformator b. Gangguan magnetisasi pada inti c. Hubung singkat pada belitan (intertrip short turn circuit) d. Belitan terbuka (open winding) Gambar 3.3. Rangkaian ekivalen pengukuran SFRA Pada kabel pengukuran terdapat resistansi sebesar 5 ohm. Analyzer pada penelitian ini menampilkan kurva FRA dalam bentuk fungsi transfer (H(jω)) antara tegangan output dan input, yang ditampilkan dalam bentuk hubungan matematis : Gambar 3.5. Contoh SFRA sebelum gangguan Gambar 3.4. Alat SFRA doble M Analisis Hasil Tes SFRA Hasil yang didapatkan dari pengukuran SFRA kemudian dibandingkan dengan kondisi normalnya (tanpa gangguan). Referensi transformator keadaan normal dapat diperoleh dari: 1. Transformator baru atau pengujian pada beberapa tahun sebelumnya. 2. Transformator sejenis yang memiliki daya yang sama dan dengan merek yang sama (sister unit). 3. Fasa lainnya pada transformator yang sama untuk pengujian kondisi antar fasa belitan. Gangguan dapat terdeteksi dengan menganalisis setiap tingkat frekuensi sesuai referensi transformator dalam keadaan normal, dimana perbedaan dengan pembanding maksimal +/- 3 db ( +/- 3dB = baik ; > +/- 3dB = buruk). Gambar 3.6. Contoh SFRA setelah gangguan Middle frequency dominan pada frequency 1kHz sampai 1MHz, biasanya range ini mendeteksi gangguan pada belitan trafo diantaranya : a. Hoop buckling Gangguan yang terjadi akibat adanya pengendoran/benjolan pada belitan. b. Axial Shift Gangguan yang terjadi akibat belitan bergeser/merenggang. c. Kerusakan pada belitan utama atau tap belitan d. Kerusakan pada struktur penjepit (clamping structure) Pergeseran kurva pada frekuensi tinggi, 1 MHz 2 MHz menunjukkan adanya : a. Pergeseran lead (ujung) belitan utama atau tap belitan b. Terdapat tes penempatan ujung belitan c. Perubahan formasi dalam belitan 3

4 3.3. Perhitungan Forced Outage Rate (FOR) Dalam menentukan keandalan peralatan tegangan tinggi juga dapat ditentukan dengan cara memperhitungkan FOR, yaitu dengan cara membandingkan lamanya terjadi kerusakan pada peralatan dengan lamanya peralatan tersebut bekerja. Setelah itu, keandalan dapat ditentukan dengan berdasar hasil FOR tersebut. Bila dirumuskan sebagai berikut : Dimana : FOR FOH SH A 3.4. Proses Poisson [1] Fungsi laju kegagalan : = Forced Outage Rate = Forced Outage Hours (jam) = Service Hours (jam) = Keandalan Dimana : : Probabilitas dalam t tertentu : Perbandingan jumlah kegagalan dengan periode t : Waktu yang diinginkan n : Jumlah kegagalan yang diinginkan 3.5. Korelasi [6] Bila terdapat dua buah kumpulan data x dan y, serta ẋ menyatakan rata rata dari data x dan ẏ menyatakan rata rata dari data y, maka korelasi antara x dan y ditunjukkan dengan persamaan berikut : Bila x dan y memiliki hubungan linier, maka nilai corr(x,y) bernilai = 1, sedangkan bila tidak memiliki hubungan maka nilai corr(x,y) adalah =. Nilai korelasi yang mendekati 1 menunjukkan kecenderungan kedua buah data memiliki hubungan linier. 4. ANALISIS KEANDALAN TRAFO DAYA 4.1. GITET Krian Gardu Induk Tegangan Ekstra Tinggi Krian mempunyai 3 set transformator daya dengan susunan tegangan yang sama pada sisi tengan tinggi dan rendahnya. Dimana transformator I bermerek BBC (Brown Bovery Company), transformator II bermerek A-BB (ASEA-Brown Bovery), dan transformator III bermerek Elin Krian I - BBC Belitan 5 kv Krian III - Elin Belitan 5 kv Hz 5 Hz 1 Hz 5 Hz Gangguan gangguan yang terjadi pada transformator tersebut. Gangguan tersebut adalah sebagai berikut : 1. Transformator I BBC, gangguan frekuensi tinggi : a. Pergeseran lead (ujung) belitan utama atau tap belitan b. Terdapat tes penempatan ujung belitan c. Perubahan formasi dalam belitan 2. Transformator III Elin, gangguan di setiap range frekuensi pada 6 Mei 26 : a. Deformasi pada inti transformator b. Deformasi pada belitan transformator 4.2. GITET Grati Gardu Induk Tegangan Ekstra Tinggi Grati hanya mempunyai 1 transformator daya 5 KV. Merek dari transformator di GITET Grati ini adalah Alsthom, namun merek pada transformator 1 fasa pada fasa R, yaitu GEC Alsthom. GITET Grati telah melakukan 2 kali pengujian SFRA pada transformator daya tersebut. Dimana pengujian I dilakukan saat kondisi baru (initial new) yaitu pada tanggal 17 Januari 27. Dan pengujian selanjutnya dilakukan dengan alasan pemeliharaan rutin yaitu pada tanggal 22 Nopember 29. 4

5 Grati I - GEC Alsthom Belitan 5 kv Paiton III - Siemens Belitan 5 kv Hz 5 Hz Hz 5 Hz Gangguan gangguan yang terjadi pada transformator Alsthom GEC Alsthom tersebut. Gangguan terjadi pada fasa T pada tanggal 22 Nopember 29 di batas frekuensi menengah dan frekuensi tinggi. Gangguan yang terjadi adalah : a. Hoop buckling b. Axial shift c. Perubahan formasi pada ujung dan dalam belitan utama 4.3. GITET Paiton Gardu Induk Tegangan Ekstra Tinggi Paiton mempunyai 2 set transformator daya utama yang bermerek Elin dan A-BB (ASEA-Brown Bovery) dan 1 set transformator daya cadangan yang bermerek Siemens. Pengujian SFRA di GITET Paiton dilakukan sebanyak 1 kali untuk transformator Elin, 2 kali untuk transformator A-BB, dan 1 kali untuk transformator Siemens. Pengujian dilakukan dengan alasan transformator baru dan pemeliharaan rutin Paiton I - Elin Belitan 5 kv Paiton II - A-BB Belitan 5 kv Hz 5 Hz 1 Hz 5 Hz Terlihat bahwa tidak terdapat gangguan gangguan yang terjadi pada seluruh transformator di GITET tersebut. Meskipun terdapat perbedaan respon frekuensi, tetapi perbedaan tersebut dapat ditoleransi karena perbedaan yang terjadi tidak terlalu signifikan. Sehingga dapat disimpulkan bahwa kondisi seluruh transformator di GITET Paiton dalam keadaan baik. Namun, dengan adanya hasil respon frekuensi yang tidak cukup baik, maka gangguan berpeluang besar akan terjadi pada pengujian selanjutnya GITET Kediri Gardu Induk Tegangan Ekstra Tinggi Kediri mempunyai 2 set transformator daya 5 KV dengan merek Elin dan Mitsubishi. Dimana susunan tegangan dari transformator tersebut adalah 5 KV untuk sisi tegangan tinggi (primer), 15 KV untuk sisi tegangan rendah (sekunder), dan 7 KV untuk sisi tegangan rendah (tersier). Di GITET Kediri, hanya transformator mitsubishi saja yang telah melakukan tes SFRA. Pengujian SFRA hanya dilakukan 1 kali untuk kondisi initial new atau pengujian awal sebagai basis untuk perbandingan pengujian pengujian selanjutnya Kediri II - Mitsubishi Belitan 5 kv Hz 5 Hz Terlihat bahwa tidak terdapat gangguan gangguan yang terjadi pada seluruh transformator di GITET tersebut. kondisi transformator di GITET Kediri dalam keadaan baik Perhitungan FOR Transformator Daya 5 KV Perhitungan berdasarkan data kegagalan transformator dalam 8 tahun terakhir (1 Feburari Januari 21) atau 7.8 jam. Dengan menggunakan 5

6 persamaan Force Outage Rate (FOR), maka dihasilkan nilai FOR dan keandalan transformator. GITET Trafo FOR Keandalan GITET Krian I - BBC,9,9991 III - Elin 1 GITET Grati I - Alsthom,12,988 I - Elin 1 GITET Paiton II - A-BB,16,9984 III - Siemens 1 GITET Kediri II - Mitsubushi,8, Prediksi Keandalan dengan Perhitungan Stokastik Analisis ini menggunakan data histori kerusakan inti dan belitan pada transformator Gardu Induk Trafo Tanggal kerusakan keterangan 24/11/24 gangguan GITET Krian I - BBC 5/3/25 hasil tes SFRA 2/5/28 gangguan III - Elin 6/5/26 hasil tes SFRA GITET Grati I - Alsthom/GEC Alsthom 8/1/27 gangguan 22/11/29 hasil tes SFRA I - Elin 6/3/25 hasil tes SFRA GITET Paiton II - A-BB 18/1/29 hasil tes SFRA III - Siemens - - GITET Kediri II - Mitsubishi - - Dengan proses Poisson didapatkan probabilitas kerusakan untuk transformator. Perbandingan kurva untuk beberapa transformator daya 5 KV dengan probabilitas minimal 1 kerusakan selama 1 5 tahun. 1,,8,6,4,2, A-BB GITET Paiton BBC GITET Krian,3127,2212,1175,5276,3935,2212 Alsthom GITET Grati,6753,5276,3127,7769,8466,6321,7135,3935, Korelasi Probabilitas Kerusakan dengan Hasil SFRA GITET Transformator Respon Frekuensi Laju Kerusakan ( ) Frekuensi Perubahan Respon Lama Waktu (tahun) Laju Perubahan ( ) 1 Hz -66,67-3,7 5 HZ 2 11,11 1 5,55 18 GITET Krian Elin - 5 KV -1-5,55, ,67 9,26-11,11 rata - rata 5, GITET Krian Elin - 5 KV 1 Hz 5 HZ 5 khz 1.5 MHz Sesuai dengan perhitungan korelasi pada persamaan 3.1, nilai corr(, ) adalah Dimana laju perubahan respon frekuensi ( ) dari transformator daya menunjukkan kecenderungan memiliki hubungan linier dengan laju kerusakan dari transformator tersebut ( ). 5. PENUTUP 5.1. Kesimpulan 1. Transformator daya 5 KV pada sistem transmisi Jawa Bali berada pada kondisi baik. Dari 7 set transformator yang telah dianalisis, hanya terdapat 3 set transformator yang pernah mengalami kerusakan saat pengujian Sweep Frequency Response Analysis (SFRA). Selain itu, dari 11 pengujian yang dilakukan pada seluruh transformator, hanya 3 kali pengujian terdeteksi kerusakan pada transformator tersebut. Secara keseluruhan, kerusakan tersebut terjadi pada belitan dari transformator. 2. Nilai keandalan transformator berdasarkan perhitungan Forced Outage Rate (FOR) dalam 8 tahun terakhir atau 7.8 jam berada dalam kondisi baik. Nilai FOR terbesar.12 dan nilai keandalan terkecil.988 untuk transformator Alsthom GEC Alsthom di GITET Grati. 3. Berdasarkan perhitungan dengan metode Poisson, transformator berada dalam kondisi baik. Peluang terjadinya kerusakan pada inti dan belitan transformator dalam 1 tahun ke depan, untuk keseluruhan transformator, sebesar Selain itu, peluang untuk masing masing transformator adalah kurang dari Dari perhitungan didapatkan korelasi sebesar yang berarti ada kecenderungan memiliki hubungan linier antara laju perubahan respon frekuensi dan laju kerusakan pada suatu transformator daya 5 KV Saran 1. Karena keterbatasan data, maka hasil yang didapatkan kurang akurat. Agar mendapatkan hasil analisis yang lebih akurat maka diperlukan data pengujian transformator yang lebih banyak sehingga mendekati dengan keadaan sebenarnya. 6

7 2. Perlu dilakukan pengujian SFRA dengan lebih sering oleh PT. PLN P3B Jawa - Bali, minimal sekali dalam 2 tahun, untuk mengetahui kondisi dari transformator daya sehingga keandalan dari transformator tersebut dapat dipertahankan. 3. Diperlukan pengujian lebih lanjut tentang aplikasi metode Poisson sehingga dapat dijadikan sebagai salah satu metode yang dapat digunakan sebagai pendukung sistem predictive maintenance untuk mengetahui keandalan peralatan dalam suatu sistem tenaga listrik. DAFTAR PUSTAKA 1. PT. PLN P3B Jawa Bali, Resume Rapat Klarifikasi SCANFORX dan SIM T, PT. PLN, 3 Juni PT. PLN P3B Jawa Bali, Transformer Assessment Concept, PT. PLN, 3 Juni Hydroelectric Research and Technical Services Group, Facilities Instructions Standard and Techniques Volume 3-31, Transfomer Diagnostics, United States Department of The Interior Bureau of Reclamation, United States, Aradhana Ray, Sweep Frequency Response Analysis Training, Omicron, Jakarta, IGN Satriyadi, I Made Yulistya N., Lailiyana Farida, Analisis Kualitas Transformator Daya15 KV/7KV Di GI Banaran Berdasarkan HasilPengujian Isolasi Minyak Menggunakan Metode Stokastik, Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri, ITS, Surabaya, I Made Yulistya N., IGN Satriyadi, Shanti Aranda S., Analisis Kualitas Saluran Kabel Distribusi 2 KV Akibat Partial Discharge Di PT. PLN (Persero) Distribusi Jaya Dan Tangerang Dengan Metode Oscillating Wave Test System, Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri, ITS, Surabaya, Suwarno, Donald Fransisco, Teknik FRA (Frequency Response Analysis Untuk Diagnostik Pergeseran Belitan Transformator daya, Program Studi Teknik Elektro Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, ITB, Bandung, Zuhal, Dasar Tenaga Listrik. ITB Bandung, Bandung, PT. PLN P3B Jawa - Bali, Data Hasil Pengujian Sweep Frequency Response Analysis, PT. PLN (Persero), Anders, George J. Probability Concepts in Electric Power System, Ontario Hydro Research Division, Kanada, PT. PLN P3B Jawa - Bali, Sweep Frequency Response Analysis, PT. PLN (Persero), Charles Sweetser, Tony McGrail, Sweep Frequency Response Analysis Transformer Applications, Doble Engineering, 23 Riwayat Pendidikan : RIWAYAT HIDUP PENULIS Nama : Dendi Pramana Tempat/Tanggal Lahir : Surabaya, 2 Oktober 1988 Agama : Islam Nama Ayah : Agoes Priambodo Nama Ibu : Ina Dijah Retnowulan SD Negeri Kertajaya XIII Surabaya ( ) SLTP Negeri 19 Surabaya ( 2 23 ) SMA Negeri 9 Surabaya ( ) Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya dan mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga. Di samping mengikuti kuliah, penulis juga aktif dalam organisasi di Jurusan Teknik Elektro ITS. Penulis menjadi anggota Departemen Riset dan Teknologi Himatektro periode dan pernah menjadi ketua IEE Expo 29. Selain itu, penulis juga tercatat sebagai asisten laboratorium Teknik Tegangan Tinggi. Pada bulan Juni 21, Penulis mengikuti seminar dan ujian Tugas Akhir di Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana teknik elektro. 7