ANALISIS PENGARUH MATERIAL DAN CARA PEMOTONGAN INTI TRANSFORMATOR TERHADAP KERAPATAN FLUKS LISTRIK DAN ARUS INRUSH

Transkripsi

1 ANALISIS PENGARUH MATERIAL DAN CARA PEMOTONGAN INTI TRANSFORMATOR TERHADAP KERAPATAN FLUKS LISTRIK DAN ARUS INRUSH Yonny Wicaksono 1, I Made Yulistya N 2,Dimas Anton Asfani 3 1,2,3 Teknik Elektro, Fakultas Teknik Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 1 wicaksono.yonny@gmail.com, 2 yulistya@ee.its.ac.id, 3 anton@ee.its.ac.id Abstrak Ketika dinyalakan transformator menanggung arus sesaat yang besar, arus ini disebut arus inrush. Arus inrush dipengaruhi oleh daya sumber transformator, induktansi bocor, fluks sisa dan sudut tegangan penyalaan. Arus inrush dapat mempersingkat umur transformator, karena dapat merusak isolator penghantar dan belitan. Isolator penghantar rusak karena panas berlebih pada konduktor. Belitan rusak akibat gaya mekanik yang terjadi pada belitan. Dalam penelitian ini dianalisa pengaruh jenis material dan cara pemotongan inti transformator terhadap kerapatan fluks listrik dan besar arus inrush maksimum dalam merancang transformator. Cara pemotongan material yang diteliti adalah cara pemotongan Singgle step-lap (SSL) dan cara pemotongan Multistep-lap (MSL), sedangkan material yang diteliti adalah material silicon-steel dengan kualitas yang berbeda M4 dan M0H. Untuk mengetahui kerapatan fluks listrik dan arus inrush maksimum dilakukan perhitungan dengan mengembangkan analisa cicuit nonlinear inductor yang dirangkai seri dengan resistor. Dari analisa didapatkan bahwa material M4 dan cara potong Single Step-lapmemberikan rugi-rugi yang lebih besar, mengakibatkan kerpatan fluks listrik menjadi kecil sehingga arus inrush yang dihasilkan kecil. Kata kunci : Transformator, Fluk Sisa, Fluks Listrik, Arus Inrush 1.Pendahuluan Transformator adalah salah satu peralatan yang memiliki peran penting dalam sistem tenaga listrik. Transformator berfungsi sebagai penyalur daya listrik dengan tingkat tegangan yang berbeda. Tantangan dalam pengoperasian transformator adalah saat peyalaan. Ketika transformator dinyalakan, timbul arus yang sangat besar pada belitan transformator yang disebut arus inrush. Daya sumber transformator, induktansi bocor, fluks sisa dan sudut tegangan penyalaan saat transformator dinyalakan berpengaruh besar terjadinya arus inrush. Besar arus inrush dapat mencapai tujuh kali dari arus nominal transformator, bahkan dalam beberapa kasus, besar arus inrush hampir mendekati arus hubung singkat transformator. Karena arus yang besar ini belitan transformator akan menderita beban yang sangat besar. Arus yang besar mengakibatkan panas berlebih pada penghantar, sehingga kekuatan isolator penghantar berkurang. Secara mekanik belitan akan mendapatkan gaya yang besar sehingga bentuk belitan rusak. Dampak arus inrush secara mekanik telah dilakukan penelitian; Michael Steurer, et al (2002). Lebih jauh lagi arus inrush bisa mempengaruhi sistem B-34 tenaga listrik, karena dapat menaikkan harmonisa tegangan lebih dan menggangu sistem pengaman jaringan. Besar arus inrush Transformator dengan besar arus inrush maksimum yang rendah dapat mengurangi akibat buruk dari arus inrush. Berbagai cara telah dilakukan untuk menghitung Besar arus inrush; M. Meiner, et al (2008); S. J. Asghar (1996) Dengan menganalisa besar dari arus inrush maksimum diharapkan dapat dijadikan acuan dalam merancang transformator yang baik. Baik dari besar arus inrush maupun rugi-rugi yang ada pada transformator. Salah satu cara mengurangi besar arus inrushadalah dengan mengurangi fluk sisa pada inti transformator. Fluks sisa pada transformator dapat dipengaruhi oleh jenis material inti dan cara pemotongannya. Oleh sebab itu perlu diketahui cara pemotongan dan jenis material seperti apa agar mendapatkan fluk sisa yang terkecil. 2.Perhitungan Arus Inrush Dan Kerapatan Fluks Listrik 2.1 Arus Inrush Maksimum;Yunfei Wang et al (2008) Arus inrush dapat di daperoleh dari menghitung melalui rangkaian pengganti

2 transformator Yang terdiri dari hambatan dan induktor. Induktansi bocor dapat di abaikan karena besarnya sangat kecil dibandingkan dengan induktansi magnetik. Hambatan pada rangkaian menggambarkan hambatan yang ada pada belitan dan juga hambatan-hambatan yang lain yang dapat mempengaruhi transformator, seperti hambatan saluran, hambatan karena kontak dan lain-lain. Gambar rangkaian transformator ditunjukkan pada Gambar 1. Untuk mendapatkan CSA dari inti transformator terlebih harus diketahui bentuk inti yang digunakan. Jika menggunakan bentuk inti berbentuk oval sesuai gambar 2, maka persamaan yang digunakan adalah sebagai berikut : (6) Gambar 2. Inti Oval Gambar 1. Rangkain Pengganti Transformator Untuk menentukan besar arus inrush digunakan, rangkaian non-linear dengan komponen piece-wise linear. Ketidak linearan induktor dapat digambarkan dengan rumus berikut : 2.3 Fluks Sisa Pada Inti Transformator ; Gaowa Wuyun, et al (2006) Fluk sisa pada transformator sangat dipengaruhi oleh kerapatan fluks listrik. karena besar kerapatan fluks listrik yang berbeda akan memiliki kurva hysterisis inti yang berbeda. Kurva hysterisis ditampilkan pada gambar 3. (1) Dimana λ dan λ s adalah fluks sesaat dari belitan dan fluks jenuh. L s adalah induktansi yang ada pada belitan,l m adalah induktansi normal pada belitan, dan i adalah arus belitan. Pada dasarnya, besar dari fluks listrik adalah λ n = V m / ω, fluks jenuh adalah λ s = k λ n, k > 1. V m adalah nilai maksimum dari tegangan sumber. Berdasarkan dari rangkain pada Gambar 1 arus inrush maksimum didapatkan dengan persamaan : Dimana (2) (3) adalah puncak arus dalam keadaan stady-state pada saat transformator jenuh yang terhubung seri dengan hambatan. 2.2 Perhitungan Kerapatan Fluks Listrik kerapatan fluks listrik dalam transformator dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : (4) Dengan Fm adalah fluk magnet dan CSA adalah (Cross Section Area). Untuk mendapatkan nilai Fm dapat digunakan dengan persamaan berikut. (5) B-35 Gambar 3. Kurva Hysterisis Titik a adalah titik dimana transformator dimatikan, dan H 1 adalah medan magnet saat transformator di matikan. Pada saat ini besar dari fluk sisa sangat tergantung pada letak titik a didalam kurva hysterisis karena pada saat transformator dimatikan sehingga nilai dari medan magnet menjadi nol maka kerapatan fluks listrik akan berpindah dari titik a menuju titik b. Semakin besar nilai titik a maka semakin besar pula nilai dari titik b, karena titik b adalah titik dari kerapatan fluk sisa maka didapatkan nilai dari kerapatan fluk sisa juga semakin besar. Untuk mendapatkan nilai dari fluk sisa persamaan yang mendekati adalah sebagai berikut : (7) Dimana B r adalah fluk sisa H 1 adalah medan magnet saat transformator dimatikan H s adalah kuat medan saat inti jenuh B a, B d, dan B cadalah fluk di titik a, d dan c.

3 2.4 Cara Potong Inti Transformator Didalam pembuatan transformator terdapat beberapa teknik dalam pemotongan inti trafo. Salah satu jenis potongan adalah jenis mitred (potongan 45 ). Seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Teknik ini banyak digunakan karena kemudahan dalam pemotongan dan penyusunannya. Tabel 1. Karakteristik Transformator Daya 100 kva Fasa Frekuensi Arus Primer/Skunder Tegangan Primer/Sekunder Rugi Besi Rugi Berbeban 3 Phasa 50 Hz 2.89 A / A 20 KV / 400 V 300 Watt 1600 Watt Impedansi 4 % 3.1. Rancangan Transformator Material M0H Gambar 4. Potongan Transformator jenis Mitred Jenis potongan mitred memiliki dua cara dalam penyambungannya yaitu teknik SSL dan teknik MSL. Untuk jenis potongan mitred dengan sambungan SSLditunjukkan pada Gambar 5, sedangkan untuk jenis sambungan MSL seperti pada Gambar 6.Telah diteliti sebelumnya bahwa potongan inti dengan cara SSL memiliki rugi-rugi lebih besar dibandikan dengan potongan inti jenis MSL; Mauricio V et al (2014). Dengan Persamaan (5) didapatkan fluk magnet: Dari rancangan transformator didapatkan berat total 325 kg Dengan Berat total 325 kg didapatkan CSA dari inti trafo adalah m 2 Fluk sisa bisa didapat menggunakan persamaan (7) Gambar 5. Sambungan SSL Untuk mengetahui arus inrush maksimum kerapatan fluk sisa harus dalam keadaan maksimum. Karakteristik material MOH dapat dilihat pada Gambar 7. Gambar 6. Sambungan MSL 3 Analisa Rancangan Transformator Transformator dirancang dengan material inti yang berbeda dan dengan cara pemotongan inti yang berbedarancangan dari transformator juga akan didasarkan pada karakteristik transformator yang di tampilkan pada Tabel 1. Gambar 7. Karakteristik Material M0H B-36

4 Dari karakteristik material M0H dengan Bm 1.7 T didapatkan B r maksimum adalah 1.28 T sehingga didapatkan arus inrush maksimum menggunkan persamaan (2) Dari karakteristik material M4 dengan Bm 1.5 T didapatkan B rmaksimum adalah 1.23 T sehingga didapatkan arus Inrush maksimum menggunkan persamaan (2) 3.2. Rancangan Transformator Material M4 Dari rancangan transformator didapatkan berat total 360 kg 3.3. Rancangan Transformator Dengan Cara Potong Single Step-Lap (SSL) Rancangan transformator dengan menggunakan cara potong SSL,dari hasil pengujian didapatkan bahwa rugi-rugi besi yang dihasilkan lebih besar dari pada hasil perhitungan, watt/kg akan bertambah besar. Oleh karena itu dalam merancang transformator dengan cara potong ini didapatkan hasil sebagai berikut : Dengan Berat total 360 kg didapatkan CSA dari inti trafo adalah m 2 Agar mendapatkan rugi-rugi yang sama dengan berat inti yang sama maka watt/kg harus diturunkan dengan cara merubah volt/turn pada transformator. Fluk sisa bisa didapat menggunakan persamaan (7) Untuk mengetahui arus inrush maksimum, fluk sisa harus dalam keadaan maksimum. Karakteristik material M4 dapat dilihat pada Gambar 8 Volt/turn dirubah dari 4.61volt/turn menjadi 4.36 volt/turn Dari karakteristik material M0H dengan Bm 1.5 T didapatkan B r maksimum adalah 0.85 T sehingga didapatkan arus inrush maksimum dengan menggunkan persamaan (2) Gambar 8. Karakteristik Material M4 B-37

5 3.4 Rancangan Transformator Menggunakan Potongan Inti Multistep-Lap (MSL) Rancangan transformator dengan menggunakan cara potong MSL, dari hasil pengujian didapatkan bahwa rugi-rugi besi yang dihasilkan mendekati dari hasil perhitungan. Oleh karena itu dalam merancang transformator dengan cara potong ini didapatkan hasil sebagai berikut. Volt/turn tetap 4.61 Volt/turn Dari karakteristik material M0H dengan Bm 1.7 T didapatkan B r maksimum adalah 1.28 T sehingga didapatkan arus inrush maksimum dengan menggunkan persamaan (2) Tabel 2. Perbandingan Inrush berdasarkan Material Material Bm Arus Inrush M0H A M A Tabel 3. Perbandingan Inrush berdasarkan Potongan Material Cara potong Arus Inrush M0H SSL 8.6 A M4 MSL A potong MSL A. karena kerapatan fluk listrik dengan cara potong SSL Lebih rendah dibandingkan kerapatan fluk listrik dengan cara potong MSL Untuk Penelitian Selanjutnya perlu dilakukan penelitian bagaimana cara mengurangi kerapatan fluks sisa pada material inti transformator, tanpa menggunkan material dengan watt/kg yang besar dan potongan inti jenis SSL. Daftar Pustaka: Gaowa Wuyun, Dichen Liu, Po Li (2006): Calculation of Residual Flux Based on Preisach Model and Entering Phase control of transformer to eliminate Inrush Current,Environmental Electromagnetics, The th Asia-Pacific Conference on, Dalian, pp Mauricio V, Ferreira da Luz, Patrick Dular, Jean Vianei Leite, Patrick Kuo-Peng. (2014): Modeling Of Transformer Core Joints Via A Subproblem FEM And Homogenization Technique, IEEE Transaction On Magnetic,Vol. 50, No. 2. Michael Steurer and Klaus Fröhlich.(2002): The Impact of Inrush Currents on the Mechanical Stress of High Voltage Power Transformer Coils. IEEE Transactions On Power Delivery, Vol. 17, No. 1 M. Meiner and A. Binder. (2003) Inrush-modeling of a single-phase1-mva-hts (high temperature superconducting) transformer for rail vehicles, in Proc. IEEE Power Eng. Soc. General Meeting, vol. 4, pp S. J. Asghar. (1996) Elimination of inrush current of transformers and distribution lines, in Proc. Int. Conf. Power Electronics, Drives Energy Systems for Industrial Growth, vol. 2, pp Yunfei Wang, Sami G, Abdulsalam, Wilsun (2008), Analytical Formula to Estimate the Maximum Inrush Current, IEEE Transaction On Power Delivery,Vol. 23, No Kesimpulan Dan Saran Dari hasil analisa rancangan transformator didapatkan, bahwa rancangan transformator menggunakan material M0H memilik arus inrush lebih besar dari pada rancangan yang menggunakan materrial M4. Arus inrush material M0H sebesar A sedangkan arus inrush material M A. hal ini dikarenakan kerapatan fluks listrik pada material M0H 1.7 T lebih besar dari material M4 1.5 T. Inti transformator dengan cara potong SSL memiliki arus inrush yang lebih kecil dari inti transformator dengan cara potong MSL, arus inrush pada cara potong SSL adalah 8.6 A sedangkan cara B-38