Menurunkan Nilai Error Dan Phase Displacement Trafo Arus Berdasarkan Standard IEC

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR Menurunkan Nilai Error Dan Phase Displacement Trafo Arus Berdasarkan Standard IEC Diajukan Guna Melengkapi Sebagian Syarat Dalam mencapai gelar Sarjana Strata Satu (S1) Disusun Oleh : Nama : Ahmad Sangid NIM : Jurusan : Teknik Elektro Peminatan : Elektronika Pembimbing : Ir. Eko Ihsanto M.Eng PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2009 i

2 Yang bertanda tangan di bawah ini, N a m a : Ahmad Sangid N.P.M : Jurusan : Teknik Elektro Fakultas : Teknik Judul Skripsi : Menurunkan Nilai Error Dan Phase Displacement Trafo Arus Berdasarkan Standard IEC Dengan ini menyatakan bahwa hasil penulisan Skripsi yang telah saya buat ini merupakan hasil karya sendiri dan benar keasliannya. Apabila ternyata di kemudian hari penulisan Skripsi ini merupakan hasil plagiat atau penjiplakan terhadap karya orang lain, maka saya bersedia mempertanggungjawabkan sekaligus bersedia menerima sanksi berdasarkan aturan tata tertib di Universitas Mercu Buana. Demikian, pernyataan ini saya buat dalam keadaan sadar dan tidak dipaksakan. Penulis, 29 Agustus 2009 [ Ahmad Sangid ] ii

3 LEMBAR PENGESAHAN Menurunkan Nilai Error Dan Phase Displacement Trafo Arus Berdasarkan Standard IEC Disusun Oleh : Nama : Ahmad Sangid NIM : Program Studi : Teknik Elektro Peminatan : Elektronika Mengetahui, Pembimbing Koordinator TA ( Ir. Eko Ihsanto M.Eng ) ( Yudhi Gunardi.ST.MT ) Mengetahui, Ketua Program Studi Teknik Elektro ( Yudhi Gunardi.ST.MT ) iii

4 ABSTRAKS Menurunkan Nilai Error Dan Phase Displacement Trafo Arus Berdasarkan Standard IEC Transformator arus (Current Transformer) intrument transformer dengan karakteristik dimana besarnya arus sekunder sebanding dengan arus primer dan beda fase antara arus primer dan arus sekunder mendekati nol. Transformator arus dibuat untuk mensupply alat-alat untuk keperluan pengukuran dan penghitungan misalnya pengukuran arus, daya (W, VA) dan energi (kwh). Kesalahan rasio atau kesalahan arus (error) adalah kesalahan pengukuran transformator arus oleh adanya perbedaan antara nilai perbandingan sebenarnya dengan perbandingan nominalnya. Phase displacement (pergeseran fasa) merupakan perbedaan fasa arus primer dengan fasa arus sekunder. iv

5 KATA PENGANTAR Assalamu alaikum Wr. Wb. Dengan mengucapkan Puji Syukur ke hadirat Allah SWT, yang telah melimpahkan Rahmat dan Karunia-Nya kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir dengan judul Menurunkan Nilai Error Dan Phase Displacement Trafo Arus Berdasarkan Standard IEC untuk memenuhi sebagian persyaratan menyelesaikan program pendidikan strata satu (S1). Dalam penulisan tugas akhir ini penulis mendapat bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak oleh karena itu pada kesempatan ini penulis menyampaikan banyak terima kasih kepada yang terhormat : 1. Bapak Yudhi Gunardi. ST.MT ketua jurusan teknik elektro. 2. Bapak Ir. Eko Ihsanto. M.Eng selaku pembimbing tugas akhir. 3. Dosen dan teman mahasiswa yang telah membantu dengan kritik dan saran. 4. Bapak Ir. Eddie Noormartono, selaku Factory Manager E2 di PT. Guna Era Manufaktura. 5. Teman dan rekan kerja divisi E2 di PT. Guna Era Manufaktura. Semoga segala bantuan yang diberikan mendapat balasan yang baik dari Allah SWT. Penulis menyadari bahwa tulisan ini jauh dari sempurna, untuk segala saran, kritik dan sanggahan sangat penulis harapkan sebagai bahan perbaikan di masa mendatang. Akhir kata penulis harapkan tulisan ini dapat bermanfaat bagi penulis sendiri, institusi pendidikan dan masyarakat luas. Wassalamu alaikum Wr. Wb. Ahmad Sangid v

6 DAFTAR ISI Halaman Halaman Judul... Halaman Pernyataan.. Halaman Pengesahan.... Abstraks... Kata Pengantar... Daftar Isi... Daftar Tabel... Daftar Gambar Daftar Grafik... i ii iii iv v vi vii viii ix BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Penelitian Rumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Metodologi Penelitian Sistematika Penulisan 3 BAB II LANDASAN TEORI Pengertian Current Transformer Low Voltage Standard IEC : Trafo Arus yang Ideal Pengukuran Trafo Arus. 19 BAB III RANCANG BANGUN TRANSFORMATOR ARUS Material Transformator Arus.. 21 A. Ring Core B. Kawat vi

7 C. Kabel NYAF D. Terminal Transformator Arus Alat Test Zerra DR Metode Memperkecil Error dan Memperbesar Burden BAB IV PENGETESAN DAN ANALISA TRANSFORMATOR ARUS Transformator Arus Rasio 200/5 A Transformator Arus Rasio 100/5 A Transformator Arus Rasio 100/5 A PMW Reaktansi Induksi BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran. 44 Daftar Pustaka Lampiran vii

8 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Standard Kesalahan dari Trafo arus 8 Tabel 2.2 Tingkat pengaman nominal. 10 Tabel 2.3 Batas kenaikan teperatur pada lilitan.. 14 Tabel 3.1 loss core material Tabel 3.2 Karakteristik Listrik. 26 Tabel 3.3 Konsumsi tegangan pada arus primer Tabel 3.4 Ratio transformator arus PMW Tabel 4.1 Standard IEC 44-1 : 1996 Current Transformer Tabel 4.2 Nilai error dan phase displacement ring core I losses 1.8 A Tabel 4.3 Nilai error dan phase displacement ring core I losses 2.0 A.. 34 Tabel 4.4 Nilai error dan phase displacement ring core I losses 2.0 A Tabel 4.5 Nilai error dan phase displacement ring core I losses 2.0 A Tabel 4.6 Nilai error dan phase displacement ring core I losses 2.0 A Tabel 4.7 Nilai error dan phase displacement transformator arus PMW. 40 Tabel 4.8 Percobaan reaktansi induksi viii

9 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Beda fasa antara arus primer dan arus sekunder... 6 Gambar 2.2. Rangkaian trafo arus.. 6 Gambar 2.3. Pergeseran fasa.. 9 Gambar 2.4. Tegangan tertinggi untuk perlengkapan.. 11 Gambar 2.5. Power frequency withstand test 11 Gambar 2.6. Inter turn overvoltage test. 12 Gambar 2.7. Arus Thermal waktu singkat (Ith) Gambar 2.8. Arus dinamis nominal (Idyn).. 13 Gambar 2.9. Busbar tipe trafo arus 13 Gambar Arus thermal kontinu nominal. 13 Gambar Rangkaian trafo arus ideal dengan beban Gambar Skematik pengukuran IPL Gambar Skematik pengukuran FS Gambar 3.1. Inti Besi Bentuk Cincin Gambar 3.2. Penampang Inti Cincin Gambar 3.3. Enameled wire. 25 Gambar 3.4. Kabel NYAF 25 mm.. 25 Gambar 3.5. Skematik alat uji trafo arus Gambar 3.6. Urutan proses alat uji trafo arus Gambar 3.7. Alat Penguji Trafo arus Gambar 3.8. (a) monitor LCD dan (b) switch burden Gambar 3.9. Skematik pengetesan nilai I losses ring core Gambar Nilai I losses ring core Gambar Lilitan primer (n p ) dan lilitan sekunder (n s ) Gambar 4.1. Lilitan transformer arus rasio 200/5 A Gambar 4.2. Tranformator arus 100/5 A dengan kawat shunt Gambar 4.3. Transformator arus 100/5 A PMW ix

10 DAFTAR GRAFIK Halaman Grafik 2.1. Pengaruh beban lilitan sekunder terhadap perubahan rasio Grafik 2.2. Pengaruh beban lilitan sekunder terhadap pergeseran fasa Grafik 2.3. Pengaruh Ip,Is dan impedansi beban terhadap rasio Grafik 2.4. Pengaruh Ip,Is dan impedansi beban terhadap pergeseran fasa 17 Grafik 2.5. Pengaruh frekuensi terhadap perubahan rasio Grafik 2.6. Pengaruh frekuensi terhadap pergeseran fasa Grafik 4.1. Nilai error ring core I losses 1.8 A kelas Grafik 4.2. Nilai phase displacement ring core I losses 1.8 A kelas Grafik 4.3. Nilai error ring core I losses 1.8 A kelas Grafik 4.4. Nilai phase displacement ring core I losses 1.8 A kelas Grafik 4.5. Nilai error ring core I losses 2.0 A kelas Grafik 4.6. Nilai phase displacement ring core I losses 2.0 A kelas Grafik 4.7. Nilai error ring core I losses 2.0 A kelas Grafik 4.8. Nilai phase displacement ring core I losses 2.0 A kelas Grafik 4.9. Nilai error ring core I losses 2.0 A kelas Grafik Nilai phase displacement ring core I losses 2.2 A kelas Grafik Nilai error ring core I losses 2.0 A kelas Grafik Nilai phase displacement ring core I losses 2.2 A kelas Grafik Nilai error 100/5 A PMW kelas Grafik Nilai phase displacement 100/5 A PMW kelas Grafik 4.15 Nilai error 100/5 A PMW kelas Grafik Nilai phase displacement 100/5 A PMW kelas Grafik Nilai error reaktansi induktansi Grafik Nilai phase displacement reaktansi induksi x

11 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Penelitian. Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnet. Transformator digunakan secara luas, baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Penggunaan transformator dalam sistem tenaga memungkinkan terpilihnya tegangan yang sesuai, dan ekonomis untuk tiap-tiap keperluan misalnya kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya listrik jarak jauh. Dalam bidang elektronika, transformator digunakan antara lain sebagai gandengan impedansi antara sumber dan beban; untuk memisahkan satu rangkain dari rangkaian yang lain; dan untuk menghambat arus searah sambil tetap melakukan atau mengalirkan arus bolak-balik antara rangkaian. Berdasarkan frekuensi, transformator dapat dikelompokan sebagai berikut : 1. frekuensi daya, 50 60hz 2. frekuensi pendengaran, 50 hz 20 khz 3. frekuensi radio, diatas 30 khz Dalam bidang tenaga listrik pemakaian transformator dikelompokkan menjadi : 1. transformatror daya 2. transformatror distribusi 3. transformator pengukuran, yang terdiri dari transformator arus dan transformator tegangan. Instrument Transformer atau transformator arus digunakan untuk mengukur arus beban suatu rangkaian. Dengan menggunakan transformator arus maka arus beban yang besar dapat diukur hanya dengan menggunakan alat ukur (ampere meter) yang tidak terlalu besar. Transformator arus di 1

12 desain untuk keperluan pengukuran dan penghitungan rekening / billing ( misalnya pengukuran arus, daya, dan energi ). Dengan uraian dan spesifikasi di atas penyusun tertarik untuk melakukan percobaan dan analisa mengenai transformator arus dengan judul MENURUNKAN NILAI ERROR DAN PHASE DISPLACEMENT TRAFO ARUS BERDASARKAN STANDARD IEC untuk memenuhi sebagian persyaratan menyelesaikan Program Pendidikan Sarjana Teknik. 1.2 Rumusan Masalah. Berdasarkan uraian dan penjelasan diatas permasalahan - permasalahan yang dihadapi antara lain: 1. Material dan bahan transformator arus. 2. Pengujian error dan phase displacement transformator arus. 3. Menurunkan nilai error dan phase displacement transformtor arus. 1.3 Batasan Masalah. Agar pembahasan lebih terfokus, permasalahan dibatasi pada : 1. Transformator arus LV (low voltage). 2. Menurunkan nilai error dan phase displacement transformator arus ratio 200/5 A, 100/5 A. 3. Memperbesar VA transformator arus 100/5 A. 4. Transformator arus untuk pengukuran arus (A), power factor, daya (W, VA, Var), energi (kwh, kvarh) dengan kelas ketelitian 0.5 dan Tujuan Penelitian. Tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini adalah : 1. Memperkecil kesalahan arus (error) dan phase displacement (sudut). 2. Memperbesar burden (VA) transformator arus. 2

13 1.5 Metodologi Penelitian. Metode dan cara mengumpulkan data sebagai bahan dan referensi penyusunan antara lain : 1. Observasi adalah melakukan peninjauan objek secara langsung. 2. Library research adalah mencari data atau bahan dengan melalui kepustakaan sebagai referensi dalam penulisan. 3. Interview adalah mencari data melalui wawancara dengan pihak atau orang yang mengerti. 4. Eksperimen adalah melakukan penelitian dan analisa alat secara langsung. 1.6 Sistematika Penulisan. Sistem penulisan laporan ini terdiri dari lima bab dimana masing masing bab merupakan tahapan demi tahapan dari penelitian secara keseluruhan, mulai dari latar belakang munculnya masalah hingga pemecahan masalah. BAB I BAB II BAB III BAB IV PENDAHULUAN Dalam bab ini diuraikan latar belakang penelitian, tujuan penelitian, rumusan masalah, batasan masalah, metode penelitian dan sistematika penulisan tugas akhir. LANDASAN TEORI Dalam bab ini membahas teori dasar dan acto atau metode yang mendukung dalam penulisan laporan tugas akhir. RANCANG BANGUN TRANSFORMATOR ARUS Dalam bab ini menjelaskan bagian-bagian dan spesifikasi transformator arus. PENGETESAN DAN ANALISA TRANSFORMATOR ARUS Dalam bab ini menguraikan dari hasil pengetesan dan pembahasan berdasarkan teori. 3

14 BAB V PENUTUP Dalam bab ini menjelaskan mengenai kesimpulan dan saransaran. 4

15 BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Pengertian Low Voltage Current Transformer (LV CT). Current artinya arus dan transformer artinya suatu alat untuk mengubah. Jadi trafo arus artinya suatu alat untuk mengubah arus. Pengertian trafo arus menurut cara kerja, adalah alat listrik yang dapat mengubah arus dari satu lilitan (primer) ke lilitan lainnya (sekunder). Pengubahan arus ini terjadi dengan hubungan tidak langsung antar lilitan tersebut, tetapi melalui perantara inti besi (iron core). Trafo arus atau biasa dikenal dengan trafo instrumen di mana dalam kondisi pemakaian normal, arus sekunder sebanding dengan arus primernya dan fasa yang berbeda. Trafo instrumen adalah trafo yang dipakai untuk men-supply alat-alat ukur, meter, relay atau peralatan lain yang sejenis. Menurut jenisnya trafo instrumen terdiri dari 2 macam, yaitu: 1. Trafo arus untuk pengukuran. Trafo arus yang dibuat untuk keperluan pengukuran (metering) dan penghitungan rekening, misalnya pengukuran arus (A), power factor, daya (W, VA, Var), energi (kwh, kvarh). 2. Trafo arus untuk proteksi. Trafo arus yang dibuat untuk men-supply relay proteksi, misalnya over current relay, earth fault relay dan lain-lain. Karakteristik dari trafo arus yaitu: Besarnya arus sekunder sebanding dengan arus primer. Di mana: I p = n. I s I p = arus primer n = jumlah lilitan I s = arus sekunder 5

16 Beda fasa antara arus primer dan arus sekunder (θ) mendekati nol. Gambar 2.1 Beda fasa antara arus primer dan arus sekunder Gambar di atas menerangkan bahwa beda fasa antara arus primer dengan arus sekunder mendekati nol (Ө 0) Standard IEC Standard International Electrotechnical Commision ( IEC 44 1 ) adalah standard yang menangani masalah transformator. Ketentuannya adalah: a. Lilitan primer di mana arus yang akan diukur mengalir. b. Lilitan sekunder yang men-supply arus ke rangkaian alat ukur, meter, relay atau peralatan lain yang sejenis. c. Rangkaian sekunder yang di-supply oleh belitan sekunder. Gambar 2.2. Rangkaian transformator arus Gambar di atas menerangkan rangkaian trafo arus yang dihubungkan dengan rangkaian sekunder (beban luar), misalnya amperemeter, relay dan peralatan ukur lain yang sejenis. 6

17 d. Arus primer nominal (rated primary current), I pn adalah nilai arus primer yang dipakai sebagai dasar untuk menentukan kinerja suatu trafo arus. (Nilai ini tercantum pada plat nama trafo arus). Standard nilai untuk I pn , A Termasuk nilai-nilai kelipatan desimal atau kelipatannya. Kebanyakan dari nilai yang dipakai adalah yang digaris bawahi. e. Arus sekunder nominal (rated secondary current), I sn adalah nilai arus sekunder yang dipakai sebagai dasar untuk menentukan kinerja suatu trafo arus. (Nilai ini ada pada plat nama trafo arus). Biasanya, nilai untuk I sn yaitu: 1 A, 2 A dan 5 A, tapi dianjurkan nilai 5 A. f. Perbandingan transformasi sebenarnya (actual transformation ratio), R adalah perbandingan antara arus primer sebenarnya (I p ) dengan arus sekunder sebenarnya (I s ). Ip R = Is g. Perbandingan transformasi pengenal (rated transformation ratio), K n adalah perbandingan antara arus nominal primer (I pn ) dengan arus nominal sekunder (I sn ). Rasio ini tercantum pada plat nama trafo arus. Misalnya: 200/5A. K = n I I pn sn h. Kesalahan dari rasio atau kesalahan arus (F%) adalah kesalahan pengukuran arus oleh trafo arus, ini disebabkan oleh adanya perbedaan antara nilai R dan K n. Kn. Is Ip F(%) = x100 % Ip 7

18 Kn = 1 x100 % R 1 = 1 x100 % RCF K = n 1 = R RCF Tabel 2.1. Standard Kesalahan dari Transformator Arus Kategori kelas +/- Nilai kesalahan arus untuk persen arus nominal +/- Pergeseran fasa untuk persen arus nominal Menit Centiradians ,1 0,4 0,2 0,1 0, ,45 0,24 0,15 0,15 0,2 0,75 0,35 0,2 0, ,9 0,45 0,3 0,3 0,5 1,5 1,5 0,5 0, ,7 1,35 0,9 0,9 1 3,0 3,0 1,0 1, ,4 2,7 1,8 1,8 kelas +/- Nilai kesalahan arus untuk persen arus nominal Sumber dari buku IEC 44-1 i. RCF (Ratio Correction Factor) adalah perbandingan antara perbandingan transformasi sebenarnya I dengan perbandingan transformasi pengenal (K n ). RCF = R K n 8

19 j. Perbandingan lilitan (turn ratio), n adalah perbandingan antara jumlah lilitan sekunder (N s ) dan jumlah lilitan primer (N p ). n = N N s p k. Pergeseran fasa (phase displacement), θ adalah perbedaan antara fasa arus primer dengan fasa arus sekunder. θ < 0 θ > 0 Gambar 2.3. Pergeseran fasa Gambar di atas menunjukkan bahwa jika arus primer tertinggal maka nilai pergeseran fasa-nya lebih kecil dari nol (-) dan jika arus sekunder yang tertinggal maka nilai pergeseran fasa-nya lebih besar dari nol (+). l. Satuan beban (burden) pada rangkaian sekunder dinyatakan dalam Ohm (Ω) untuk power factor (pf) dan frekwensi tertentu. Burden seringkali dinyatakan dalam VA untuk nilai power factor, arus sekunder, dan frekwensi tertentu. VA = I 2 x Z Di mana: VA = Beban (burden) Z = Impedansi sekunder keseluruhan dari trafo arus I = Arus sekunder (pada umumnya 1 A atau 5 A) 9

20 m. Kelas ketelitian (accuracy class) adalah kesalahan dari rasio dan/atau kesalahan gabungan pada suatu nilai arus primer dan burden yang ditetapkan. Biasanya standard kelas ketelitian adalah: Pengukuran trafo arus: Pengukuran trafo arus kelas spesial: 0.2 S 0.5 S. Pengukuran trafo arus proteksi: 5P 10P. Untuk aplikasi kelas ketelitian yaitu: 0.1 : Pekerjaan alat-alat kalibrasi yang presisi : Ukuran dan tagihan (Ammeter, Wattmeter, kwhmeter). 0,2S 0,5S : Pengukuran meter listrik yang khusus untuk mengukur ketepatan arus 1% I pn 120%. 1 : Aplikasi dan proteksi. 3-5 : Pemakaian beban yang besar. 5P 10P : Relay-relay proteksi. n. Rated insulation level adalah tingkatan suatu nilai batasan untuk tegangan suatu trafo arus. Disebut juga tegangan tembus. Tabel 2.2. Tingkat pengaman nominal Tegangan tertinggi untuk perlengkapan (rms) kv Tegangan ketahanan frekwensi kerja selang waktu singkat (rms) kv Tegangan ketahanan impuls petir pengenal (peak) kv Sumber dari buku IEC

21 o. Tegangan tertinggi untuk perlengkapan (Highest voltage for equipment), adalah nilai maksimum r.m.s phase-to-phase voltage yang diijinkan untuk penggunaan trafo arus yang bersangkutan. Gambar 2.4. Tegangan tertinggi untuk perlengkapan p. Power frequency withstand test adalah pengujian frekwensi daya yang dilaksanakan untuk nilai tegangan V rms seperti yang diperlihatkan oleh Tabel 2.2 kolom 2 selama 60 detik. Gambar 2.5. Power frequency withstand test 11

22 q. Inter turn over voltage test adalah pengujian yang dilaksanakan selama 60 detik. Gambar 2.6. Inter turn overvoltage test Dalam pengujian ini, lilitan sekunder (dalam keadaan arus terbuka) harus dapat menahan tegangan maksimum sebesar 4,5 kv. Besarnya arus primer (I p ) akan dibatasi apabila V s telah mencapai nilai 4,5 kv, walaupun pada saat itu nilai I p I pn. r. Arus thermal waktu singkat (rated short time thermal current), I th adalah batas nilai r.m.s arus primer yang dapat diberikan selama 1 detik pada lilitan primer tanpa menimbulkan kerusakan akibat panas yang berlebihan pada lilitan sekunder yang mengalami dihubung singkat. Gambar 2.7. Arus thermal waktu singkat (I th ) s. Arus dinamis nominal (Rated dynamic current), I dyn adalah besarnya nilai maksimum pertama dari arus hubung singkat yang tergeser yang dapat diberikan pada trafo arus tanpa mengakibatkan kerusakan mekanik atau elektrik pada lilitan sekunder yang dihubung singkat. 12

23 Gambar 2.8. Arus dinamis nominal (I dyn ) t. Busbar tipe trafo arus mempunyai satu konduktor primer yang melewati inti besinya. Tipe trafo arus ini mempunyai ketahanan yang tinggi terhadap arus hubung singkat. Nilai khusus: I th = 60 I pn I dyn = 150 I pn Gambar 2.9. Busbar tipe trafo arus u. Arus thermal kontinu nominal (Rated continuous thermal current) adalah besarnya arus r.m.s primer yang dapat diberikan pada trafo arus secara kontinu tanpa mengakibatkan kenaikan temperatur di atas batas yang diijinkan. Lilitan sekunder dihubungkan ke beban nominal. Gambar Arus thermal kontinu nominal 13

24 v. Arus thermal kontinu nominal. Pengukuran trafo arus 120% I pn. Pengukuran trafo arus jangkauan panjang 200% I pn. Proteksi trafo arus ALF. I pn = Batas ketelitian nominal dari arus primer. ALF = Batas actor ketelitian (Accuracy Limit Factor). w. Kelas perlindungan (Class of insulation) adalah besarnya kenaikan actorve suatu trafo arus pada kondisi berikut ini: Arus primer = 100% I pn Burden (VA) = Output nominal trafo arus (VA), pf = 1 Kenaikan temperatur tidak boleh melebihi nilai yang tercantum dalam tabel di bawah ini. Kebanyakan menggunakan yang bertanda panah. Tabel 2.3. Batas kenaikan teperatur pada lilitan Kenaikan suhu Kelas isolasi maksimal (disesuaikan dengan IEC publikasi 185) (K) Semua kelas, terendam minyak 60 Semua kelas, terendam minyak dan tertutup rapat 65 Semua kelas, terendam kompon aspal 50 Kelas-kelas yang tidak terendam minyak atau kompon aspal Y 45 A 60 E 75 B 85 F 110 H 135 Catatan: Dengan beberapa produk (misalnya resin) pabrik akan menentukan kelas isolasi yang berkaitan Sumber dari buku IEC

25 2.3. Trafo Arus yang Ideal. Beban Gambar Rangkaian trafo arus ideal dengan beban N p N s n r e x e Φ Δ δ = jumlah banyaknya lilitan primer = jumlah banyaknya lilitan sekunder = perbandingan lilitan = tahanan beban = reaktansi beban = kerja fluks dari transformer = sudut fasa dari beban luar = sudut fasa dari beban ditambah impedansi lilitan sekunder. E p E s = voltase terinduksi lilitan primer = voltase terinduksi lilitan sekunder 15

26 I p I s V p V s = lilitan arus primer = lilitan arus sekunder = voltase pada terminal lilitan primer = voltase pada terminal lilitan sekunder Pengaruh beban lilitan sekunder terhadap perubahan rasio R n + I I o s sin ( α + δ ) Grafik 2.1. Pengaruh beban lilitan sekunder terhadap perubahan rasio Pengaruh beban lilitan sekunder terhadap pergeseran fasa θ I o cos n. I ( α + δ ) s Grafik 2.2. Pengaruh beban lilitan sekunder terhadap pergeseran fasa 16

27 Pengaruh I p, I s, dan impedansi beban terhadap perubahan rasio θ I o cos n. I ( α + δ ) s Grafik 2.3. Pengaruh I p, I s, dan impedansi beban terhadap perubahan rasio Pengaruh I p, I s, dan impedansi beban terhadap pergeseran fasa Grafik 2.4. Pengaruh I p, I s, dan impedansi beban terhadap pergeseran fasa 17

28 Pengaruh frekwensi terhadap perubahan rasio Grafik 2.5. Pengaruh frekwensi terhadap perubahan rasio Pengaruh frekwensi terhadadap pergeseran fasa Grafik 2.6. Pengaruh frekwensi terhadadap pergeseran fasa Hasil pengukuran Power meter Daya aktif : P (Watt) Daya reaktif : Q (Var) Arus sekunder nominal (nilai r.m.s): I sn (A) P Q r s = Ω x = Ω 2 s Z 2 s = rs + j. xsω I I sn Di mana: r s = Tahanan pada rangkaian sekunder P = Daya aktif I sn x s = Arus sekunder nominal = Reaktansi pada rangkaian sekunder sn 18

29 Q Z s J = Daya reaktif = Tahanan total pada rangkaian sekunder = Kapasitansi pada rangkaian sekunder 2.4. Pengukuran Trafo Arus Batas nominal arus primer pada instrumen (IPL). Nilai minimum arus primer di mana kesalahan gabungan trafo arus 10 % (diukur pada kondisi beban nominal). Gambar Skematik pengukuran IPL IPL = min (I p ) εc 10 %, beban nominal Faktor keamanan instrumen (FS). Perbandingan antara batas nominal arus primer pada instrumen (IPL) dengan arus primer nominal (I pn ). IPL FS = I pn Kesalahan maksimal dari rasio adalah ± 0,5% pada kondisi 100% arus primer nominal (I p = 100 A) dan kondisi 100% beban nominal (Z e = 15 VA). Pada saat terjadi kesalahan arus pada lilitan primer trafo arus, maka keamanan dari rangkaian sekunder akan semakin besar apabila 19

30 nilai FS trafo arus semakin kecil. Untuk nilai FS yang kecil berarti trafo arus cepat jenuh pada saat terjadi kenaikan I p. Untuk peralatan ukur yang sensitif, trafo arus dengan nilai FS yang kecil (FS < 5) harus digunakan Pengujian tidak langsung untuk mengukur nilai faktor keamanan (FS). Di mana: Gambar Skematik pengukuran FS Iexc ε c = FS. I I exc = arus pembangkit I sn = arus sekunder nominal FS = faktor keamanan sn 20

31 BAB III RANCANG BANGUN TRANSFORMATOR ARUS 3.1. Material Transformator Arus. A. Ring Core. Ring core adalah inti besi yang terbuat dari bahan plat silicone digulung untuk membentuk cincin (O). 64x48x27 60x51x27 96x79x20 Gambar 3.1. Inti besi bentuk cincin Untuk meminimalkan kesalahan arus, nilai magnetizing current (I m ) dan losses komponen (I e ) harus dibuat sekecil mungkin. Ini berarti bahwa inti trafo harus mempunyai nilai reluktansi dan core losses yang kecil. Untuk memperkecil reluktansi ada beberapa cara. a). Material inti dengan permeabilitas tinggi: Inti trafo arus dibuat dari bahan yang mempunyai nilai permeabilitas yang tinggi. 21

32 Tabel 3.1. loss core material Code thickness (mm) Frequency Material iron loss 1.7T/50Hz) 23PH Hz PH Hz ZH Hz JGH Hz Z Hz 1.3 b). c). Short magnetic path. Bentuk fisik trafo arus dibuat sedemikian rupa sehingga diperoleh nilai arus magnetis yang terpendek. Penampang besar. Gunakan inti yang mempunyai penampang sebesar mungkin. Lfe Afe d2 d1 hi d 1 + d L 2 fe π 2 Gambar 3.2. Penampang Inti Cincin d d = A fe = hi m fe = L fe A fe Di mana: d 1 = Diameter dalam d 2 h i A fe L fe m fe = Diameter luar = Tinggi inti cincin = Luas penampang inti cincin = Garis tengah luas penampang = Volume inti cincin 22

33 d). e). f). Densitas fluks rendah Densitas fluks pada trafo arus dibuat serendah mungkin. Hal ini terutama sangat penting untuk trafo arus yang digunakan untuk perlindungan relay, di mana keakuratan trafo harus tetap dipertahankan pada nilai arus primer (I p ) yang mencapai 20 ~ 30 kali nilai nominalnya. Jumlah gabungan sedikit. Jumlah gabungan (titik-titik hubung) pada saat menyusun inti diusahakan sekecil mungkin, sebab semakin banyak titik-titik hubung berarti celah udara semakin besar sehingga nilai reluktansinya naik. Magnetisasi Magnetisasi permanen Magnetisasi permanen pada inti menyebabkan turunnya permeabilitas inti pada kondisi kerapatan fluks tertentu. Magnetisasi permanen mengakibatkan naiknya kesalahan dari rasio dan pergeseran fasa trafo arus. Agar trafo arus kembali ke kondisi normal, permanen magnetisasi harus dihilangkan (Lihat proses demagnetization). Hal-hal yang dapat menimbulkan magnetisasi permanen: Adanya arus terbuka pada lilitan sekunder, pada saat lilitan primer deberi energi. Ini menyebabkan kerapatan fluks pada inti sangat besar dan menimbulkan magnetisasi permanen pada saat kondisi kembali normal. Peralihan switching pada lilitan sekunder. Adanya arus searah pada lilitan primer dan/atau lilitan sekunder sebagai akibat proses pengukuran tahanan lilitan atau pengukuran polaritas trafo. 23

34 Adanya peralihan dan/atau arus hubung singkat pada line di mana lilitan primer dihubungkan. Arus peralihan mengandung komponen arus searah. Menghilangkan sifat magnet pada inti besi Cara 1 Alirkan arus primer yang besarnya seperti pada saat terjadi rangkaian terbuka pada lilitan sekunder. Lilitan sekunder dibiarkan tetap terbuka (open circuit). Arus primer ini dihasilkan oleh M-G set dengan pembangkit luar. Matikan motor dengan tetap memberikan arus pembangkit pada alternator. Seiring dengan turunnya putaran motor, tegangan yang dihasilkan oleh alternator berangsur-angsur turun menuju nol. Dengan demikian inti trafo arus menjalani banyak sekali siklus magnetisasi dengan amplitudo yang semakin mengecil, dan diakhiri dengan magnetisasi nol. Cara 2 Alirkan arus 100% I pn pada lilitan primer. Lilitan sekunder dihubungkan dengan tahanan variabel tinggi (rheostat) dengan nilai tahanan beberapa ratus Ohm. (Dalam kondisi ini praktis rangkaian lilitan sekunder terbuka). Turunkan tahanan rheostat secara bertahap dan dengan nilai yang sama. Dengan cara ini magnetisasi pada int trafo arus dikurangi secara bertahap dari nilai yang sangat besar menjadi nilai normal. B. Kawat . Kawat Enameled yang digunakan untuk lilitan sekunder. Dalam hal ini yang digunakan berukuran 0.7 mm, 0,8 mm dan 0,9 mm. Tipe EIW dan PEW grade 1. 24

35 Gambar 3.3. Enameled wire C. Kabel NYAF. Kabel ini dipergunakan untuk lilitan primer. Untuk penampang diameter kabel disesuaikan dengan seberapa besar arus yang dapat melewati kabel dengan penampang itu. Tipe kabel yang akan dipakai adalah NYAF dengan diameter = 25 mm. Gambar 3.4. Kabel NYAF 25 mm 25

36 Tabel 3.2. Karakteristik Listrik Tahanan Kemampuan Arus pada 20 c arus mengalir hubung Ukuran Nilai Konduktor Nilai Insulator Di Di pipa udara singkat pada 1 sec Uji tegangan mm2 Ohm/km M,Ohm.km A A ka kv/5 min Sumber dari buku katalog kalel Sucaco type NYAF V ( SPLN 42-1;1981) D. Terminal Transformator Arus. Terminal ini digunakan untuk menyambung ujung kawat yang sudah digulung dan lapisan pada ujungnya sudah dikupas. Penyambungan ini menggunakan timah yang dipanaskan dengan alat solder. Bahan terminal trafo arus terbuat dari tembaga yang diberi chrom 26

37 3.2. Alat Test ZERRA DR Comparator Supply Test CT D G C Balance Control Circuit Burden r Gambar 3.5. Skematik alat uji trafo arus Supply Trafo Standard Comparator Test CT Control Balance Circuit Burden Display Gambar 3.6. Urutan proses alat uji trafo arus Berdasarkan rangkaian di atas, cara kerja alat penguji trafo arus yaitu: trafo standard menerima suplai tegangan sehingga trafo menghasilkan arus primer. Trafo standard tersebut disetel sesuai dengan trafo arus yang akan diuji. Garis panah yang berwarna biru adalah arus primer yang keluar dari 27

38 trafo standard yang melewati trafo arus yang akan diuji dan masuk ke comparator. Trafo arus yang diuji dengan masukan burden (disetel) sesuai dengan kebutuhan dan keluarannya (arus sekunder) masuk ke comparator dan ke control balance circuit. Control balance circuit berfungsi untuk menaikkan dan menurunkan nilai persen arus primer (Ip%) dari trafo arus yang diuji ditambah dengan burden, misalnya 120%, 100%, 20% dan 5%. Comparator berfungsi mengolah data yang inputannya dari arus primer (trafo arus standard), arus sekunder (trafo arus yang diuji), control balance circuit dan burden. Hasil olahan dari comparator tersebut dikeluarkan lewat tampilan. Tabel 3.3. Konsumsi tegangan pada arus primer Voltase Maksimal 4V 8V 16V 32V 64V 125V I p Gambar 3.7. Alat Penguji Trafo arus 28

39 Dari gambar di atas, S 1 dan S 2 dihubungkan ke lilitan sekunder yang akan diuji. P 1 dan P 2 berfungsi sebagai terminal primer yang dihubungkan ke trafo arus yang akan diuji. Adjuster berfungsi untuk menaikkan dan menurunkan arus primer yang keluar. Burden (beban) berfungsi untuk menentukan beban yang akan dipakai pada trafo arus atau dengan kata lain pemakaian maksimun beban luar (VA) pada kelas tertentu yang diijinkan. Arus primer (I pn ) berfungsi untuk mengetahui arus yang keluar pada waktu pengujian yang dinyatakan dalam persen (%). Monitor LCD berfungsi untuk mengetahui kesalahan dari rasio (%) dan pergeseran fasa trafo arus pada saat pengujian. Lihat gambar monitor dan burden berikut ini: (a) (b) Gambar 3.8. (a) monitor LCD dan (b) switch burden 29

40 3.3. Metode Memperkecil Error dan Memperbesar Burden (VA). Untuk memperkecil kesalahan arus (error) dan phase displacement serta memperbesar burden (VA) dapat dilakukan dengan jalan : 1. Menggunakan ring core dengan nilai I losses kecil. Untuk mengetahui nilai I losses dari tiap-tiap ring core dilakukan dengan pengetesan seperti pada gambar skematik 3.9. Kemudian nilai I losses di tempel pada tiap-tiap ring core lihat gambar 3... Gambar 3.9. Skematik pengetesan nilai I losses ring core. Gambar Nilai I losses ring core. 2. Dengan menambahkan lilitan primer (primery multi winding). Untuk mendapatkan transformator arus dengan VA besar dengan ratio kecil dan nilai error dan phase displacement masuk standard IEC dilakukan dengan cara merubah perbandingan lilitan primer dan sekunder. Percobaan ini dilakukan dengan cara menambah lilitan primer atau primeri multi winding (PMW), dengan menggunakan rumus perbandingan nilai lilitan (n), yang akan diberikan disini. 30

41 Primer np ns Sekunder Gambar Lilitan primer (n p ) dan lilitan sekunder (n s ). Percobaan ini menggunakan arus primer sebesar 100A, dan lilitan sekunder mempunyai rasio 600/5A. Rumus yang akan digunakan: Di mana: n = rasio perbandingan N s = jumlah lilitan sekunder N p = jumlah lilitan primer N n = N 600 n = n = = 6 n = = Dari perhitungan dengan menggunakan rumus di atas ratio perbandingan didapat 6 lilitan. jadi untuk lilitan primer sebanyak 6 lilit. Hasil percobaan dan rumus di atas menghasilkn rasio trafo arus, lilitan primer dan rasio, yang diperlihatkan pada Tabel 4.8. Tabel 3.4. Ratio transformator arus PMW. Rasio trafo arus Lilitan primer Rasio 600/5A 4 150/5A 600/5A 5 120/5A 600/5A 6 100/5A 600/5A 8 75/5A 600/5A 10 60/5A 600/5A 12 50/5A s p 31

42 BAB IV PENGETESAN DAN ANALISA TRANSFORMATOR ARUS Perakitan transformator arus harus mengikuti standard IEC agar aman pada saat pemakaianya dan nilai kesalahannya tidak keluar dari standard. Akan tetapi terjadi masalah khususnya pada transformator arus dengan ratio yang relative kecil. Ada beberapa cara untuk mengurangi kesalahan rasio, antara lain : a. Pemilihan Core (inti bahan dari trafo arus). b. Jumlah lilitan. Standard Ratio Error dan Phase Displacement IEC 44-1 : 1996 Current Transformer. Tabel 4.1. Standard IEC 44-1 : 1996 Current Transformer. Test Current Class 5% 20% 50% 100% 120% Error Angle Error Angle Error Angle Error Angle Error Angle 0.5 ± 1.5 ± 90 ± 0.75 ± ± 0.5 ± 30 ± 0.5 ± 30 1 ± 3 ± 180 ± 1.5 ± ± 1 ± 60 ± 1 ± ± ± Transformator Arus Rasio 200/5 A. Percobaan transformator arus 200/5 A berikut dengan ring core 23PH095 dengan I losses 1.8 A dan 2.0 A. Percobaan dengan ring core 23PH095 nilai I losses 1.8 A. Nilai error dan phase displacement yang didapat adalah sebagai berikut: Tabel 4.2. Nilai error dan phase displacement ring core I losses 1.8 A Ratio 200/5 A Burden 120% 100% 50% 20% 5% VA Error Angle Error Angle Error Angle Error Angle Error Angle

43 Grafik 4.1. Nilai error ring core I losses 1.8 A kelas 0.5. Grafik 4.2. Nilai phase displacement ring core I losses 1.8 A kelas 0.5. Grafik 4.3. Nilai error ring core I losses 1.8 A kelas 1. 33

44 Grafik 4.4. Nilai phase displacement ring core I losses 1.8 A kelas 1. Tabel dan grafik di atas menunjukkan bahwa nilai kesalahan dari rasio (error) masuk standard kelas 0.5 untuk burden (VA) 2.5 dan kelas 1 untuk burden (VA) 5. Nilai phase displacement (angle) untuk burden (VA) 2.5 pada 20% dan 5% tidak masuk standard IEC pada kelas ketelitian 0.5. Percobaan dengan ring core 23PH095 nilai I losses 2.0 A. Nilai error dan phase displacement yang didapat adalah sebagai berikut: Tabel 4.3. Nilai error dan phase displacement ring core I losses 2.0 A. Ratio 200/5 A Burden 120% 100% 50% 20% 5% VA Error Angle Error Angle Error Angle Error Angle Error Angle Grafik 4.5. Nilai error ring core I losses 2.0 A kelas

45 Grafik 4.6. Nilai phase displacement ring core I losses 2.0 A kelas 0.5. Grafik 4.7. Nilai error ring core I losses 2.0 A kelas 1. Grafik 4.8. Nilai phase displacement ring core I losses 2.0 A kelas 1. 35

46 Tabel dan grafik di atas menunjukkan bahwa nilai kesalahan dari rasio (error) dan phase displacement (angle) masuk standard IEC dengan burden (VA) 2.5 pada kelas ketelitian 0.5 dan burden (VA) 5 pada kelas ketelitian 1. Gambar 4.1. Lilitan transformer arus rasio 200/5 A 4.2. Transformator Arus Rasio 100/5 A. Percobaan transformator arus 100/5 A berikut dengan ring core 23PH095 dengan I losses 2.0 A dan 2.2 A. Percobaan dengan ring core 23PH095 nilai I losses 2.0 A. Nilai error dan phase displacement yang didapat adalah sebagai berikut : Tabel 4.4. Nilai error dan phase displacement ring core I losses 2.0 A. Ratio Burden 120% 100% 50% 20% 5% VA Error Angle Error Angle Error Angle Error Angle Error Angle 100/5 A

47 Grafik 4.9. Nilai error ring core I losses 2.0 A kelas 1. Grafik Nilai phase displacement ring core I losses 2.2 A kelas 1. Tabel dan grafik di atas menunjukkan bahwa nilai kesalahan dari rasio (error) masuk standard kelas 1. Sebaliknya nilai phase displacement (angle) pada 100 % dan 20 % tidak masuk standard IEC dengan burden (VA) 3.75 pada kelas ketelitian 1. Percobaan dengan ring core 23PH095 nilai I losses 2.2 A. Nilai error dan phase displacement yang didapat adalah sebagai berikut : Tabel 4.5. Nilai error dan phase displacement ring core I losses 2.0 A. Ratio Burden 120% 100% 50% 20% 5% VA Error Angle Error Angle Error Angle Error Angle Error Angle 100/5 A

48 Tabel diatas menunjukkan bahwa nilai kesalahan dari rasio (error) masuk standard kelas 1 akan tetapi nilai error pada 120% kritis. Nilai phase displacement (angle) masuk standard IEC dengan burden (VA) 3.75 pada kelas ketelitian 1. Nilai error pada 120% dapat diturunkan dengan cara memberi kawat shunt lihat gambar 4.1. S1 Shunt S2 Gambar 4.2. Transformer arus 100/5 A dengan kawat shunt 0.2. Nilai error dan phase displacement yang didapat setelah ditambah dengan kawat shunt 0.2 adalah sebagai berikut : Tabel 4.6. Nilai error dan phase displacement ring core I losses 2.0 A. Ratio Burden 120% 100% 50% 20% 5% VA Error Angle Error Angle Error Angle Error Angle Error Angle 100/5 A

49 Grafik Nilai error ring core I losses 2.0 A kelas 1. Grafik Nilai phase displacement ring core I losses 2.2 A kelas 1. Dari hasil percobaan di atas penambahan dengan kawat shunt, nilai kesalahan (error) dapat diturunkan dan boleh dikatakan tidak berpengaruh pada nilai phase displacement. Tabel dan grafik di atas menunjukkan bahwa nilai kesalahan dari rasio (error) dan phase displacement (angle) masuk standard IEC dengan burden (VA) 3.75 pada kelas ketelitian Transformator Arus Rasio 100/5 A PMW. Lilitan primer harus menggunakan kabel yang diameternya mampu mengalirkan arus sebesar 100 A. Lihat tabel 3.2. Dengan menggunakan 39

50 tabel di atas, diameter kabel adalah 25mm 2. Lilitan sekunder 120 lilitan dan primer sebanyak 6 lilitan. Terminal sekunder Lilitan sekunder Lilitan primer Terminal primer Gambar 4.3. Transformator arus 100/5 A PMW. Hasil dari pengujian kesalahan rasio diperlihatkan pada Tabel Tabel 4.7. Nilai error dan phase displacement transformator arus PMW. Ratio 100/5 A Burden 120% 100% 50% 20% 5% VA Error Angle Error Angle Error Angle Error Angle Error Angle Grafik Nilai error 100/5 A PMW kelas

51 Grafik Nilai phase displacement 100/5 A PMW kelas 0.5. Grafik Nilai error 100/5 A PMW kelas 1. Grafik Nilai phase displacement 100/5 A PM kelas 1. 41

52 Tabel dan grafik di atas menunjukkan bahwa nilai kesalahan dari rasio (error) dan phase displacement (angle) masuk standard IEC dengan burden (VA) 15 pada kelas ketelitian 0.5 dan burden (VA) 20 pada kelas ketelitian Reaktansi Induksi. Percobaan ini menggunakan perbandingan jumlah lilitan sekunder, rasio yang akan diuji adalah 100/5 A, 200/5 A dan 300/5 A. Ring core nilai I lossesnya sama 2.3, kawat dan burden (VA) yang akan digunakan bernilai sama. Tabel 4.8. Percobaan reaktansi induksi. Ratio Burden 120% 100% 50% 20% 5% VA Error Angle Error Angle Error Angle Error Angle Error Angle 100/5 A /5 A /5 A Grafik Nilai error reaktansi induksi. 42

53 Grafik Nilai phase displacement reaktansi induksi. Tabel dan grafik diatas menunjukan nilai kesalahan pengukuran (error) dan phase displacement dipengaruhi oleh banyaknya lilitan. Semakin rapat dan banyak jumlah lilitan induksi arus makin bagus sehingga nilai kesalahan dan phase displacement semakin kecil. 43

54 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan. Setelah dilakukan percobaan dan analisa transformator arus LV (low voltage) dengan kesalahan arus (error) dan phase displacement (sudut) pada kelas ketelitian 0.5 dan 1 sesuai dengan standard IEC 44-1 : 1996 maka dapat disimpulkan : 1. Nilai kesalahan (error) dan phase displacement transformator arus dipengaruhi oleh I losses material ring core. Semakin kecil I losses akan semakin bagus nilai error dan phase displacement dan sebaliknya. 2. Kesalahan pengukuran (error) dan phase displacement dipengaruhi oleh banyaknya lilitan. Semakin rapat dan banyak jumlah lilitan induksi arus makin bagus sehingga nilai kesalahan (error) dan phase displacement semakin kecil Saran. Supaya pemakaian transformator arus efektif dan pembacaan pada display instrument alat ukur akurat di sarankan untuk : 1. Pergunakan transformator arus yang nilai kesalahan arus (error) dan phase displacementnya kecil serta kelas ketelitian kecil. 2. Hindari adanya arus terbuka pada lilitan sekunder, pada saat lilitan primer deberi energi. Ini menyebabkan kerapatan fluks pada inti sangat besar dan menimbulkan magnetisasi permanen pada saat kondisi kembali normal. Akibatnya nilai kesalahan arus (error) trafo akan cepat naik dan umur trafo jadi pendek. 44

55 Daftar Pustaka [1]. Ir. J. Soekarto, kursus: Protection for Transmission Line, Trafo Arus, September [2]. Ir. Beny Santoso, Training: Current Transformer Low Voltage, Current Transformers, 2004 [3]. PLN, Tranformator Arus, SPLN 76, [4]. Standards IEC 44-1 : 1996 Current Transformer. 45