Sofyan 1, Afriyastuti Herawati 1*

Transkripsi

1 engaruh embebanan Terhadap Efisiensi dan Usia Transformator (Studi Kasus Transformator IV Gardu Induk Sukamerindu Bengkulu) Berdasarkan Standar IEC Sofyan 1, Afriyastuti Herawati 1* 1 rogram Studi Teknik Elektro, Universitas Bengkulu, * rasya_hera@yahoo.com ABSTRACT Calculation of loading effect on efficiency and life time of transformer IV at substation Sukamerindu Bengkulu have been done according to IEC standard to know the daily loss of life factor. Maimum efficiency of Transformer IV is 96.6% which happens at peak load. The hot spot temperature at peak load of 3. MW reach 105,8747oC which leads to daily loss of life factor of 0.144%. Keywords: efficiency, hot-spot, loss of life ABSTRAK erhitungan pengaruh pembebanan terhadap efisiensi dan usia pakai transformator IV di GI Sukamerindu Bengkulu dilakukan berdasarkan standar IEC untuk mengetahui persentase hilangnya usia pakai transformator (Loss of Life) setiap harinya. Nilai efisiensi transformator IV tertinggi sebesar adalah 96,66% yang terjadi pada beban puncak. Nilai suhu hot-spot pada beban tertinggi 3, MW mencapai 105,8747oC sehingga didapat Loss of Life transformator IV GI Sukamerindu Bengkulu sebesar 0,0144% setiap harinya. Kata kunci: efisiensi, hot-spot, loss of life 1. ENDAHULUAN Transformator merupakan komponen utama dalam sistem distribusi daya listrik. Karena distribusi daya listrik ke konsumen dimulai dari gardu induk distribusi yang didalamnya terdapat transformator untuk menurunkan tegangan listrik dari tegangan transmisi ke tegangan distribusi. Transformator pada gardu induk yang satu bisa saja berbeda dengan gardu induk yang lain tergantung pada jumlah beban yang dilayani oleh gardu induk tersebut sehingga transformatornya juga memiliki rating yang berbeda pula. Oleh karena fungsinya yang sangat penting dalam penyaluran daya listrik maka kondisi transformator selalu dipantau setiap waktunya. embebanan pada transformator dapat mempengaruhi kinerja transformator. Hal ini ditandai dengan menurunnya efisiensi dan usia pakai transformator tersebut. Efisiensi dan usia pakai transformator yang terus menurun akan mengakibatkan penyaluran daya listrik yang tidak optimal bahkan pada kondisi yang lebih buruk dapat merusak transformator. Berdasarkan hal tersebut maka perlu dikaji pengaruh pembebanan terhadap efisiensi dan usia transformator. enelitian mengenai pengaruh pembebanan terhadap usia transformator sudah banyak dilakukan. ada [1][] diteliti mengenai pengaruh pembebanan terhadap usia transformator berdasarkan perhitungan tegangan dan arus yang digunakan setiap harinya. ada [3] diteliti pengaruh pembebanan terhadap usia transformator berdasarkan standar IEC untuk studi kasus transformator di LTGU Tambak Lorok Semarang. Sedangkan pada [4] meneliti mengenai perkiraan usiaisolasi transformator dengan pengaruh variable lingkungan. Namun pada keempat penelitian tersebut tidak membahas mengenai pengaruh pembebanan terhadap efisiensi transformator. Sedangkan pada [5] dan [6] membahas mengenai rugi-rugi transformator dibawah beban harmonik dan dibawah efek arus nonsinusoidal. Oleh karena itu perlu diteliti mengenai pengaruh pembebanan terhadap efisiensi dan usia pakai transformator untuk transformator IV pada gardu induk Sukamerindu Bengkulu mengacu pada standar IEC TINJAUAN USTAKA A. Transformator Daya Transformator merupakan suatu peralatan yang dapat mengkonversikan tegangan listrik bolak balik baik dari tegangan tinggi ke tegangan rendah maupun sebaliknya. Transformator daya dibedakan menjadi tiga yaitu [9]: 1. Transformator distribusi Transformator daya dengan rating daya maksimum 500 kva (tiga fasa) atau 833 kva (satu fasa). Transformator daya menengah Transformator daya dengan rating daya maksimum 100 MVA tiga fasa atau 33,3 MVA satu fasa 76

2 ISSN: Transformator daya besar Transformator daya dengan rating daya diatas 100 MVA tiga fasa atau 33.3 MVA satu fasa B. embebanan Transformator Usia pakai dan efisiensi suatu transformator tenaga sangat dipengaruhi oleh beban yang dilayani oleh transformator tersebut. embebanan pada suatu transformator dapat menimbulkan panas pada kumparan transformator.jumlah beban yang dilayani oleh transformator tersebut sudah selayaknya sesuai dengan rating nameplate transformator itu. engaplikasian beban yang melebihi rating nameplate dapat menimbulkan beberapa tingkat resiko. Ketika suatu transformator diberi energi dan yang disebabkan oleh rugi-rugi inti, rugi-rugi kumparan dan rugi-rugi bocor merupakan sumber panas dan menyebabkan kenaikan suhu kumparan dan minyak transformator [4]. Rugi rugi bocor dapat mempengaruhi keselurahan rating transformator karena dapat menimbulkan hot-spot ketika arus yang mengalir menjadi berlebih sehingga mempengaruhi keseluruhan transformator [7]. Hot-spot merupakan titik terpanas pada kumparan transformator [9].Untuk mengatasi suhu panas pada transformator maka diperlukan pendingin. Ada beberapa tipe pendingin yang digunakan pada transformator yaitu [9]: 1. ONAN (Oil Natural Air Natural) ONAN merujuk pada hilangnya panas dari minyak ke atmosfir. Hal ini terjadi oleh sirkulasi alami minyak melalui minyak dan peralatan pendingin yang didinginkan secara eksternal oleh udara alami.. ONAF (Oil Natural Air Force) endingin ONAF menjaga sirkulasi alami minyak melalui kumparan dan heat echanger kemudian udara dipaksa ke permukaan radiator. 3. OFAF (Oil Force Air Force) endingin OFAF dirancang untuk meningkatkan tingkat pertukaran panas dengan memaksa sirkulasi minyak oleh pompa. Untuk mendapatkan disipasi panas maksimum, kipas harus menghembuskan udara secara terus menerus pada permukaan radiator. 4. OFOD (Oil Force Oil Directed) Ketika minyak dipaksa mengalir melalui kumparan, ini dinamakan aliran langsung (Directed Flow). C. erhitungan Usia akai Transformator Dalam perhitungan usia pakai transformator ada beberapa standar yang digunakan. Selain IEC, IEEE dan ANSI juga mengeluarkan standar dalam perhitungan usia pakai transformator. Karena pada penelitian ini digunakan standar IEC maka perhitungannya digunakan persamaan-persamaan yang dikeluarkan oleh IEC melalui standar IEC TABEL 1. TINGKAT ENUAAN RELATIF YANG DISEBABKAN OLEH SUHU HOT-SOT non-thermally upgraded paper thermally upgraded paper Untuk menghitung tingkat penuaan relatif digunakan persamaan (1) untuk non-thermally upgraded paper [9]: 98 /6 V h (1) Dan persamaan () untuk thermally upgraded paper [9]: h73 V e () h adalah suhu hot-spot dalam C. Fungsi ini berarti bahwa tingkat penuaan relatif sangat sensitif terhadap suhu hot-spot seperti Tabel 1 [9]: Untuk perhitungan loss of life digunakan persamaan (3) atau (4) [9]: L 1 t V dt (3) t1 t 1 N V V N (4) n 1 dimana: L : loss of life transformator berdasarkan persamaan (1) atau (). t n : interval waktu ke-n n : jumlah setiap interval waktu N : jumlah interval total selama periode yang diamati Untuk perhitungan suhu hot-spot digunakan persamaan (5) untuk suhu yang meningkat ke level yang sesuai terhadap faktor beban atau persamaan (6) untuk suhu yang menurun ke level yang sesuai terhadap faktor beban K [9]: 1 RK h a oi or oi f1 t 1 R y Hg K f () t hi r hi (4) 77

3 Jurnal Amplifier Vol. 5 No., Nopember RK h a oi or oi f1 t 1 R y Hg K f () t hi r hi 1 RK h t a or 1 R 1 RK oi or f3 t Hgr K 1 R y (5) (6) Fungsi f 1 (t) menunjukkan peningkatan relative dari kenaikan suhu top-oil yang dirumuskan pada persamaan (7) [9]: t/ k11 0 f t e (7) 1 1 Sedangkan fungsi f (t) menunjukkan peningkatan relative dari gradient hot-spot terhadap top-oil yang dirumuskan melalui persamaan (8) [9]: t/ k t/ 0 / k f t k11e w k e (8) Fungsi f 3 (t) menunjukkan penurunan relative gradient suhu top-oil terhadap lingkungan yang dirumuskan pada persamaan (9) [9]: t/ k11 0 f t e (9) 3 dengan: =Temperatur hot-spot transformator daya ( o C) = Temperatur lingkunganselama pengamatan ( o C) = Kenaikan temperatur top-oil (in tank) pada saat awal = Kenaikan temperatur top-oil (in tank) dalam keadaan mantap pada rugi-rugi rating =Gradienhot-spot terhadap top-oil pada saat awal K = Faktor Beban (arus beban/arus rating) R = Rasio rugi-rugi beban pada arus rating terhadap rugi-rugi tanpa beban H = Faktor hot-spot = Gradien suhu kumparan rata-rata terhadap minyak rata-rata (in tank) pada arus rating (K) = faktor eksponen minyak y = faktor eksponen kumparan = Konstanta waktu kumparan = Konstanta waktu minyak rata-rata 11 = Konstanta model termal 1 = Konstanta model termal = Konstanta model termal D. Efisiensi Transformator Efesiensi transformator adalah perbandingan antara daya listrik yang keluar dari transformator (out) dengan daya listrik yang masuk pada transformator (in), transformator yang ideal efisiensinya 100%, tapi pada kenyataannya efisiensi trasformator kurang dari 100%, hal ini dikarenakan rugi-rugi yang telah dijelaskan diatas, sehingga energi listrik menjadi energi panas atau gerak. Efisiensi dinyatakan ersamaan (10) [7]: out 100% (10) atau in rugi out 1 rugi out dengan: =efisiensi out = daya keluar in = daya masuk = + i 3. METODE ENELITIAN in (11) Transformator yang akan dijadikan sebagai objek penelitian pada penelitian ini adalah transformator IV di Gardu Induk Sukamerindu Bengkulu. Data-data yang digunakan adalah data sekunder yang diambil dari [10]. Transformator IV Gardu Induk Sukamerindu Bengkulu merupakan transformator dengan pendingin minyak yang berkapasitas 30 MVA. ersamaan-persamaan yang digunakan untuk perhitungan usia transformator digunakan persamaan (1) sampai dengan persamaan (9). Data-data yang diperlukan untuk perhitungan adalah sebagai berikut: Metode pendingin: ONAF Suhu lingkungan: = 7,9 C Kenaikan suhu top-oil pada arus rating: = 36 K Rasio rugi-rugi beban pada arus rating terhadap rugirugi tanpa beban: R = 3, Faktor hot-spot: H = 1,3 (untuk transformator daya [9]) Gradien suhu kumparan rata-rata terhadap minyak rata-rata (in tank) pada arus rating: = K Konstanta waktu kumparan: = 7 min (untuk transformator daya dengan system pendingin ONAF [9]) Konstanta waktu minyak rata-rata: = 150 min (untuk transformator daya dengan system pendingin ONAF [9]) Eksponen suhu minyak: = 0,8 (untuk transformator daya dengan system pendingin ONAF [9]) Eksponen suhu kumparan: y = 1,3 (untuk transformator daya dengan sistem pendingin ONAF [9]) Konstanta termal: 11 = 0,5 1 =,0 =,0 (untuk transformator daya dengan system pendingin ONAF [9]) 78

4 ISSN: Jam TABEL DATA EMBEBANAN TRANSFORMATOR IV GI SUKAMERINDU TANGGAL 0 FEBRUARI 014 I (A) (MW) Q (MVAR) V (KV) Top Oil ( o C) 1: , 5, 19,3 54 : ,8 5, 19,5 54 3: ,6 5, 19,5 5 4: ,6 5, 19,5 5 5: ,3 5,0 19,1 50 6: ,0 5,0 19,1 50 7: ,8 5,3 18,9 50 8: ,0 5,6 18,9 50 9: , 5,8 18,9 5 10: ,0 6,1 18, : ,4 6,5 19,0 57 1: ,9 6,7 19, 60 13: ,0 6,7 19, : , 7,0 19, 61 15: ,5 7, 19,1 6 16: ,7 7,7 0, : ,6 6,0 19, : ,0 5,8 18, : , 6,1 18,6 58 0: ,0 6,0 18,8 58 1:00 75,8 6,0 19,3 58 :00 710, 6,0 19,4 57 3: ,0 3,4 0,0 55 4: ,8 5,8 0,0 55 Faktor beban: K = 0,6 Gradien hot-spot terhadap top-oil pada saat awal: = 0 K Kenaikan temperatur top-oil (in tank) pada saat awal: = 1.7 K Selanjutnya dilakukan perhitungan besarnya suhu hot-spot dengan menggunakan persamaan (5). Kemudian dihitung besarnya usia pakai transformator dengan menggunakan persamaan (4). 4. HASIL DAN EMBAHASAN A. Data embebanan dan erhitungan Rasio embebanan (K) Untuk data pembebanan tanggal 0 Februari tahun 014 dapat dilihat pada Tabel. Untuk mendapatkan nilai K yang merupakan rasio antara daya semu (S) pembebanan trafo dengan daya semu rating trafo (Sr), maka perlu dihitung nilai S selama 4 jam. Sehingga besarnya nilai S dan K selama 4 jam untuk tanggal 0 Februari 014 dapat dilihat pada Tabel 3. TABEL 3 HASIL ERHITUNGAN RASIO EMBEBANAN (K) Jam Sr (MVA) S (MVA) K 1: ,97 0,7488 : ,5783 0,734 3: , : ,4068 0,600 5: ,0587 0,7107 6: ,4 0,7383 7: ,6161 0,75 8: ,8885 0,7445 9: ,1049 0, : ,9499 0,831 11:00 4 0,518 0,8549 1:00 4 0,591 0, :00 4 1,0950 0, :00 4 1,3709 0, :00 4 1,755 0,905 16:00 4, : ,5449 0, : ,7989 0,849 19:00 4 3, :00 4 3,7697 0,9904 1:00 4 3,5795 0,984 : ,9583 3: ,535 0,4805 4: , B. erhitungan Nilai Efisiensi Untuk mengetahui nilai konsumsi energi pada transformator IV dengan dicari nilai rata-rata efisiensi selama satu hari yaitu pada tanggal 0 Februari 014, pada pukul 01:00 beban yang masukan sesuai data terukur sebesar 4 MW namun beban yang dibutuhkan konsumen sebesar 17, MW, untuk mencari nilai efisiensi pada pukul 01:00 dapat digunakan ersamaan (10): 17, 100% 4 71, 66% Data perhitungan untuk efisiensi () di atas hitung selama 4 kali dari pukul 01:00 sampai pukul 4:00, setelah dilakukan perhitungan selama 4 kali dapat dilihat nilai efisiensi () pada Tabel 4. ada Tabel4 dapat dilihat nilai efisiensi setiap jamnya selama 4 jam. Selama 4 jam tersebut pada pukul 3:00 nilai efisiensinya sangat kecil sebesar 45,83%, ini diakibatkan kebutuhan beban pada saat pukul 3:00 sangat sedikit, namun pada pukul 19:00 nilai efisensinya hampir mendekati 100% yaitu sebesar 96,66%, ini diakibatkan kebutuhan akan beban pada pukul 19:00 sangat tinggi. 79

5 Jurnal Amplifier Vol. 5 No., Nopember 015 TABEL 5 HASIL ENGHITUNGAN TEMERATUR HOT-SOT SELAMA 4 JAM Jam (MW) K (pu) Ambient ( o C) ( o C) 1:00 17, 0, ,634 :00 16,8 0, ,886 3:00 16, ,561 4:00 16,6 0, ,561 5:00 16,3 0, ,5033 6:00 17,0 0, ,4707 7:00 16,8 0,75 6 7,765 8:00 17,0 0, ,1498 9:00 18, 0, , :00 19,0 0, , :00 19,4 0,8549 7,5 85,993 1:00 19,9 0, , :00 0,0 0, , :00 0, 0, , :00 0,5 0, , :00 0, , :00 18,6 0, , :00 19,0 0, ,363 19:00 3, ,8747 0:00 3,0 0, ,6678 1:00,8 0, ,4755 :00, 0, ,931 3:00 11,0 0, ,3114 4:00 18, ,709 TABEL 6. HASIL ENGHITUNGAN ERSENTASE LOSS OF LIFE TRANSFORMATOR Jam ( o C) V L% 1:00 70,634 0,0431 :00 68,886 0, :00 55,561 0, :00 55,561 0, :00 67,5033 0,0950 6:00 71,4707 0, :00 7,765 0, :00 71,1498 0, :00 78,1737 0,101 10:00 8,1168 0, :00 85,993 0,4979 1:00 89,3617 0, :00 93,9713 0,6787 0, :00 95,4599 0, :00 96,3108 0,871 16:00 98,3168 1, :00 84,1055 0, :00 83,363 0, :00 105,8747,4836 0:00 104,6678, :00 103,4755 1,8841 :00 98,931 1, :00 47,3114 0,0086 4:00 80,709 0,13585 Nilai efisiensi yang baik adalah 100% namun dikarenakan adanya nilai rugi-rugi inti yaitu rugi rugi histerisis dan rugi-rugi arus Eddy sehingga nilai efisiensi pada transformator kurang dari 100%, rugi-rugi ini akan mengalami perubahan seperti menjadi panas atau pun getaran. Nilai rata-rata efisiensi selama 4 jam pada tanggal 0 Februari 014 sebesar 78,6%, nilai ini selisihnya tidak jauh pada nilai efisiensi yang di harapkan. ada Tabel 4 terlihat nilai efisiensi semakin meningkat naik sesuai kebutuhan beban, dari penggunaan beban minimal sampai maksimal, tampak digambar beban minimal hampir mendekati 40% dan beban maksimal hampir mendekati 100%. Rata-rata nilai efisiensi pada Transformator IV selama 4 jam melebihi 75%. Kebutuhan beban pada konsumen dapat merubah nilai efisensi pada transformator. C. erhitungan Nilai Temperatur Hot-Spot Transformator Dari persamaan (5) dapat dihitung besarnya suhu hotspot transfornator IV GI Sukamerindu Bengkulu selama 4 jam seperti yang tercantum pada Tabel 5. Menurut standar IEC batas normal yang telah ditetapkan sebesar 98 o C, namun pada Tabel 5 pada beban puncak pukul 19:00 sampai 1:00 dan pada pukul 19:00 sampai pukul :00 temperatur hot-spot melebihi standar yang telah ditetapkan, maka dapat di asumsikan pada tegangan puncak transformator IV melebihi nilai standar IEC Nilai temperatur hot-spot berbanding lurus dengan nilai pembebanan, dapat dilihat dari Tabel 5, semakin besar beban maka semakin besar temperatur hot-spot dan tidak terlalu berpengaruh terhadap suhu lingkungan. Dalam aplikasi model hot-spot belitan ini digunakan nilai-nilai konstanta sesuai panduan standar yang digunakan, karena adanya keterbatasan data. Tercakup data pada aplikasi model perhitungan temperatur hotspot belitan ini sangat penting, karena model ini diturunkan secara empirik, sehingga hasil berbeda antara transformator satu dengan transformator lain. D. erhitungan Usia akai Transformator Untuk mencari nilai erhitungan perentase Loss of Life dengan transformator dengan standar IEC IEC dapat menggunakan ersamaan (1) s/d ersamaan (4) dimana nilai V dan L dapat dilihat pada Tabel 6. 80

6 ISSN: erhitungan persentase Loss of Life selama 4 jam, dimana umur normal isolasi transformator dengan standar IEC sebesar 30 tahun, maka selama 4 jam didapatkan hilangnya usia pakai transformator sebesar 0,0144% setiap harinya. 5. KESIMULAN 1. Nilai efisiensi transformator IV tertinggi sebesar 96,66% pada beban puncak. Besar kecilnya nilai efisiensi transformator IV tergantung oleh kebutuhan beban konsumen, semakin besar beban yang dibutuhkan konsumen maka semakin besar nilai efisiensi penggunaan tansformator IV.. Nilai suhu hot-spot pada beban tertinggi 3, MW mencapai 105,8747 o C sehingga didapat laju penuaan sebesar 0,0144% selama satu hari. REFERENSI [1] Syafriyudin, 011, erhitungan Lama Waktu akai Transformator Jaringan Distribusi 0 Kv Di AJ Jogjakarta, Jurnal Teknologi Vol 4 Nomor 1 pp 88-95, Juni 011. [] Sujito, 009, erhitungan Life Time Transformator Jaringan Distribusi 0 Kv Di Apj Malang, Jurnal Tekno Volume 11 Maret 009 ISSN [3] G Riana Naiborhu, 010, Analisa engaruh embebanan Terhadap Susut Umur Transformator Tenaga (Studi Kasus Trafo Gtg 1.3 ltgu Tambak Lorok Semarang), Jurnal JETri Volume 9 Nomor Februari 010 halaman ISSN [4] M Srinivasan, A Krishnan, 01, rediction of Transformer Insulation Life with an Effect of Environmental Variables, International Journal of Computer Applications ( ) Volume 55 No 5, Oktober 01. [5] Amit Gupta dan Ranjana Singh, 011, Evaluation of Distribution Transformer Losses Under Harmonic Loads Using Analytical and Simulation Methods, International Journal on Emerging Technologies () 90-95(011) ISSN No (print): , ISSN No (online): [6] Amit Gupta dan Ranjana Singh, 011, Computation Of Transformer Losses Under the Effects Of Nonsinusoidal Currents, Advan ced Computing : An International Journal (ACIJ) Volume No 6 November 011. [7] Joe erez, 010, Fundamental rinciples Of Transformer Thermal Loading and rotection, IEEE 010. [8] IEEE, 011, IEEE Guide for Loading Mineral-Oil- Immersed Transformers and Step-Voltage Regulators, IEEE Std C57.91TM-011 (revision of IEEE Std C ) [9] IEC, 005, International Standard ower Transformers art 7 : Loading Guide for Oil-Immersed ower Transformers, IEC. 81