BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Umum Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnet [1]. Transformator digunakan untuk menaikkan ataupun menurunkan tegangan listrik sesuai dengan kebutuhan. Hal ini dilakukan untuk meningkatkan keandalan tenaga listrik yang akan disalurkan ke konsumen. Tegangan tinggi yang dinaikkan dengan transformator digunakan pada saluran transmisi, hal ini dilakukan untuk mengurangi rugi-rugi yang terjadi pada saluran, dengan menaikkan tegangan maka rugi-rugi saluran dapat diperkecil. Setelah itu tegangan akan diturunkan pada gardu distribusi untuk selanjutnya disalurkan pada pelanggan. Di dalam bidang elektronika, trafo banyak digunakan antara lain untuk [2]: 1. Gandengan impedansi (input impedance) antara sumber dan beban. 2. Menghambat arus searah (DC = Direct Current) dan melewatkan arus bolak-balik. 3. Menaikkan dan menurunkan tegangan AC. Berdasarkan frekuensi kerja, trafo dikelompokkan menjadi: 1. Trafo daya (50-60) Hz 2. Trafo pendengaran (20 Hz 20 KHz) 3. Trafo MF (455 KHz) 4. Trafo RF (>455KHz) Trafo RF disebut juga spul Oscillator atau spul Antena. Pengelompokan trafo di dalam bidang tenaga listrik adalah: 1. Trafo daya Trafo ini digunakan untuk menaikkan tegangan sampai ratusan ribu Volt 2. Trafo distribusi 3. Trafo pengukuran

2 Trafo ini terdiri atas trafo arus dan trafo tegangan. Di dalam bentuk dasar, inti trafo terdiri dari tiga macam, yaitu: 1. Open core (inti terbuka) 2. Closed core (inti tertutup) 3. Shell core (inti bentuk cangkang) Transformator yang digunakan dalam sistem tenaga dapat berupa transformator 3-fasa dan dapat pula transformator 1-fasa. Jika transformator 3-fasa dibandingkan dengan 3 buah transformator 1-fasa yang kapasitasnya sama, ternyata berat transformator 3-fasa kira-kira 80% dari berat transformator 1-fasa. Transformator 3-fasa juga lebih menguntungkan dalam hal pondasi, pengawatan (wiring) dan ruang yang diperlukan. Tetapi untuk kelas 500 kv, transformator 1- fasa yang dipakai karena sulitnya pengangkutan.untuk menanggulangi masalah pengangkutan dipakai transformator 3-fasa khusus, yang dapat diangkut dalam keadaan 1-fasa dan kemudian dihubungkan menjadi 3-fasa di dalam minyak, dengan bushingnya dipasang di tempat [3]. 2.2 Konstruksi Transformator Pada dasarnya transformator terdiri dari kumparan primer dan kumparan sekunder yang dibelitkan pada inti ferromagnetik. Transformator yang menjadi fokus disini adalah transformator daya. Konstruksi transformator daya ada pada dua tipe yaitu tipe inti (core type) dan tipe cangkang (shell type). Kedua tipe ini menggunakan inti berlaminasi yang terisolasi satu sama lainnya, dengan tujuan untuk mengurangi rugi-rugi arus Eddy [4] Tipe Inti (Core Type) Tipe inti dibentuk dari lapisan besi berisolasi berbentuk persegi dan kumparan transformatornya dibelitkan pada dua sisi persegi. Pada konstruksi tipe inti, kumparan mengelilingi inti besi, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1

3 Gambar 2.1 Konstruksi transformator tipe inti (core type) Tipe Cangkang (Shell Type) Jenis konstruksi transformator yang kedua adalah tipe cangkang yang dibentuk dari lapisan inti berisolasi dan kumparan dibelitkan di pusat inti, dapat dilihat pada Gambar 2.2. Gambar 2.2 Konstruksi transformator tipe cangkang (shell type) 2.3 Prinsip Kerja Transformator Trafo terrdiri dari dua gulungan kawat yang terpisah satu sama lain, yang dibelitkan pada inti yang sama. Daya listrik dipisahkan dari kumparan primer ke kumparan sekunder dengan perantaraan garis gaya magnet (flux magnet) yang dibangkitkan oleh aliran listrik yang mengalir melalui kumparan primer. Untuk dapat membangkitkan tegangan listrik pada kumparan sekunder flux magnet yang dibangkitkan oleh kumparan primer harus berubah-ubah. Untuk memenuhi hal ini, aliran listrik yang mengalir melalui kumparan primer haruslah aliran listrik bolak-bolik.

4 Saat kumparan primer dihubungkan ke sumber listrik AC, pada kumparan primer timbul gaya gerak magnet bersama yang bolak-balik juga. Dengan adanya gaya gerak maget ini, di sekitar kumparan primer timbul flux magnet bersama yang juga bolak-balik. Adanya flux magnet bersama ini pada ujung-ujung kumparan sekunder yang mungkin sama, lebih tinggi, atau lebih rendah dari gaya gerak listrik primer. Hal ini bergantung pada perbandingan transformasi kumparan trafo tersebut. Jika kumparan sekunder dihubungkan ke beban, maka pada kumparan sekunder timbul arus listrik bolak-balik sekunder akibat adanya gaya gerak listrik induksi primer. Hal ini mengakibatkan timbulnya gaya gerak magnet pada kumparan sekunder dan akibatnya pada beban timbul tegangan sekunder. Kombinasi antar gaya gerak magnet induksi sekunder dan primer disebut induksi silang atau mutual induction [1] Keadaan Transformator Tanpa Beban Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber tegangan V 1 yang sinusoidal, akan mengalir arus primer I 0 yang juga sinusoidal dan dengan menganggap belitan N 1 reaktif murni, I 0 akan tertinggal 90 0 dari juga V 1 (Gambar 2.3b). Arus primer I 0 menimbulkan fluks (Φ) yang sefasa dan juga berbentuk sinusoidal [4]. Gambar 2.3 Transformator dalam keadaan tanpa beban

5 Faraday). Φ = Φ mmmmmmmm sin ωωωω...(2.1) Fluks yang sinusoidal ini akan menghasilkan tegangan induksi ee 1 (Hukum ee 1 = NN 1 ddφ dddd ee 1 = NN 1 dd(φ mmmmmmmm sin ωωωω) dddd ee 1 = NN 1 ωω Φ mmmmmmmm cos ωωωω (tertinggal 90 0 dari Φ)..(2.2) Dimana : ee 1 = Gaya gerak listrik induksi (Volt) NN 1 = Jumlah belitan di sisi primer ωω = Kecepatan sudut putar (rad/s) Φ = Fluks magnetik (Tesla) Harga efektifnya: E 1 = N 1ωΦ maks 2 E 1 = N 1 2πfΦ maks 2 E 1 = N 1 2 x 3,14 fφ maks 2 E 1 = N 1 6,28 fφ maks 2 E 1 = 4,44 N 1 f Φ maks...(2.3) Pada rangkaian sekunder, fluks (Φ) bersama tadi menimbulkan: ee 2 = NN 2 ddφ dddd ee 2 = NN 2 ωω Φ mmmmmmmm cos ωωωω EE 2 = 4,44 NN 2 ff Φ mmmmmmmm..(2.4)

6 Sehingga EE 1 EE 2 = NN 1 NN 2 Dengan mengabaikan rugi tahanan dan adanya fluks bocor, diperoleh hubungan: EE 1 EE 2 = VV 1 VV 2 = NN 1 NN 2 = a (2.5) Dimana: EE 1 = GGL induksi di sisi primer (Volt) EE 2 = GGL induksi di sisi sekunder (Volt) VV 1 = Tegangan terminal di sisi primer (Volt) VV 2 = Tegangan terminal di sisi sekunder (Volt) NN 1 = Jumlah belitan di sisi primer NN 2 = Jumlah belitan di sisi primer f = Frekuensi (Hertz) a = Faktor transformasiv Keadaan Transformator Berbeban Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban Z L, I 2 mengalir pada kumparan sekunder, dimana akan II 2 = V 2 ZZ ll, Gambar 2.4 Transformator dalam keadaan berbeban Arus beban I 2 ini akan menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) N 2 I 2 yang cenderung menentang fluks (Φ) bersama yang telah ada akibat arus pemagnetan

7 I M. Agar fluks bersama itu tidak berubah nilainya, pada kumparan primer harus mengalir arus II 2, yang menentang fluks yang dibangkitkan oleh arus beban I 2, hingga keseluruhan arus yang mengalir pada kumparan primer menjadi [4]: II 1 = II 0 + II 2 (ampere)..(2.6) Bila komponen arus rugi tembaga (II CC ) diabaikan, maka II 1 = II MM, sehingga: II 1 = II MM + II 2 (ampere)....(2.7) Untuk menjaga agar fluks tetap tidak berubah sebesar ggm yang dihasilkan oleh arus pemagnetan I M saja, berlaku hubungan: NN 1 II MM = NN 1 II 1 NN 2 II 2 NN 1 II MM = NN 1 (II 1 + II MM ) NN 2 II 2 Hingga NN 1 II 2 = NN 2 II 2....(2.8) Karena nilai II MM dianggap kecil maka II 2 = II 1 Jadi, NN 1 II 1 = NN 2 II 2 atau II 1 = NN 2 = 1 II 2 NN 1 aa......(2.9) 2.4 Rugi-rugi Pada Transformator Sampai saat ini hanya transformator ideal yang memenuhi hukum dasar transformator yaitu, tegangan dan arus diubah menurut rasio transformator, dan daya keluaran sama dengan daya masukan transformator. Kondisi dari transformator ideal selalu berusaha dicapai tapi tidak pernah dapat diwujudkan dalam transformator yang nyata.perubahan tegangan dan arus selalu lebih kecil daripada nilai yang diprediksikan menurut rasio belitan transformator karena adanya rugi-rugi [5].

8 Beberapa rugi-rugi yang terjadi di dalam transformator diantaranya adalah rugi- rugi inti besi.rugi-rugi pada inti besi dapat disebabkan oleh fluks bocor pada inti besi. Beberapa yang termasuk rugi-rugi besi adalah [1]: 1. Rugi hysteresis, yaitu rugi yang disebabkan fluks bolak-balik pada inti besi, yang dinyatakan dengan: 1.6 PP h = KK h ff BB mmmmmmmm (2.10) Dimana: PP h = rugi-rugi hysteresis (Watt) KK h ff = konstanta = frekuensi (Hertz) BB mmmmmmmm = kerapatan fluks maksimum (Tesla) 2. Rugi arus Eddy, yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi. Dirumuskan: PP ee = KK ee ff 2 2 BB mmmmmmmm..(2.11) Dimana: PP ee = rugi arus Eddy (Watt) ff KK ee = frekuensi (Hertz) = konstanta BB mmmmmmmm = kerapatan fluks maksimum (Tesla) Jadi, rugi-rugi yang terjadi pada inti besi dapat dirumuskan: PP ii = PP h + PP ee...(2.12) Sementara rugi-rugi yang terjadi pada konduktor yang digunakan pada belitan transformator disebut rugi tembaga. Rugi tembaga terjadi karena arus yang mengalir pada belitan tembaga, nilainya: PP CCCC = II 2 RR.(2.13) Karena arus beban berubah-ubah, rugi tembaga juga tidak konstan bergantung pada beban. 2.5 Isolasi Kumparan Transformator Daya Tegangan Tinggi Konstruksi isolasi trafo daya, khususnya trafo daya bertegangan tinggi, adalah sangat rumit. Masing-masing komponen transformer, yaitu belitan, elemen

9 kumparan tegangan tinggi dan kumparan tegangan rendah harus diisolasi satu sama lain, elemen kumparan diisolasi juga terhadap inti dan gandar dibumikan. Dengan demikian isolasi trafo daya dapat dibagi tiga jenis, yaitu: 1. Isolasi minor, yaitu isolasi yang memisahkan satu belitan dengan belitan lain dalam satu elemen kumparan. 2. Isolasi mayor, yaitu isolasi yang memisahkan kumparan tegangan tinggi dengan bagian yang bertegangan rendah. Isolasi ini terbagi lagi atas isolasi utama, yang memisahkan kumparan tegangan tinggi dengan kumparan tegangan rendah; dan isolasi gandar yang memisahkan belitan tegangan tinggi dengan gandar. 3. Isolasi fasa, yaitu isolasi antara tegangan tinggi dengan kumparan tegangan tinggi yang lain pada trafo tiga fasa. Isolasi mayor, isolasi minor, dan isolasi fasa, ketiganya disebut isolasi kumparan tegangan tinggi. Penamaan ini diberikan karena kumparan tegangan tinggi merupakan elektroda yang harus diisolasi terhadap bagian-bagian trafo yang bertegangan rendah.bahan isolasi yang utama digunakan, baik untuk isolasi mayor maupun minor, adalah minyak trafo yang dikombinasikan dengan dielektrik padat [6]. 2.6 Jenis Pendingin Transformator Daya Pada inti besi dan kumparan-kumparan akan timbul panas akibat rugi-rugi besi dan rugi-rugi tembaga. Bila panas tersebut mengakibatkan kenaikan suhu yang berlebihan, akan merusak isolasi (di dalam transformator). Maka untuk mengurangi kenaikan suhu transformator yang berlebihan maka perlu dilengkapi dengan alat/sistem pendingin untuk menyalurkan panas keluar transformator. Media yang dipakai pada sistem pendingin dapat berupa [7]: 1. Udara/gas 2. Minyak 3. Air 4. Dan lain sebagainya

10 Sedangkan pengalirannya (sirkulasi) dapat dengan cara: 1. Alamiah (natural) 2. Tekanan/paksaan Jenis pendingin pada transformator daya dapat dibedakan menjadi [8]: 1. Transformator ONAN yaitu adalah transformator dengan minyak sebagai pendingin kumparan transformator yang bersirkulasi secara alami dan dengan udara sebagai pendingin luar transformator yang bersirkulasi secara alami pula. 2. Transformator ONAF yaitu transformator dengan minyak sebagai pendingin transformator yang bersirkulasi secara alami dan dengan udara sebagai pendingin luar transformator yang besirkulasi secara paksa/buatan. 3. Transformator OFAF yaitu transformator dengan minyak sebagai pendingin transformator yang bersirkulasi secara paksa/buatan dan dengan udara sebagai pendingin luar transformator yang besirkulasi secara paksa/buatan. 4. Transformator OFWF yaitu transformator dengan minyak sebagai pendingin transformator yang bersirkulasi secara paksa/buatan dan dengan air sebagai pendingin luar transformator yang bersirkulasi secara paksa/buatan. 2.7 Temperatur Hot-spot Pendekatan yang mungkin untuk mengukur temperatur hot-spot adalah dengan menggunakan teknik serat optik atau menggunakan model thermal dari transformator daya. Karena kompleksitas fenomena perpindahan panas sehingga dibuat model thermal yang tepat.diagram thermal telah diterbitkan oleh IEC. Sebuah Diagram digunakan untuk memberikan [9] : a. Penyebaran temperatur pada belitan b. Nilai-nilai temperatur pada titik tertentu Kenaikan temperatur hot-spot lebih tinggi daripada kenaikan rata-rata kumparan atas.untuk menghitung perbedaan dari kenaikan temperature ini, nilai dari 0.1 θθ wwww diasumsikan untuk sirkulasi minyak alami. Sehingga kenaikan

11 temperatur pada hot-spot sama dengan temperatur kumparan atas ditambah dengan 1.1 θθ wwww. Kenaikan temperatur hot-spot dapat dibagi menjadi dua, yaitu a. Sirkulasi Minyak Alami. Kenaikan temperatur hot-spot = kenaikan temperatur puncak minyak θθ wwww Diketahui bahwa nilai dari kenaikan puncak minyak adalah 55 0 C dan Nilai dari θθ wwww adalah 21 0 C. Sehingga diperoleh [10]: Kenaikan temperatur hot-spot = 55 0 C x 21 0 C = 55 0 C C = 78 0 C b. Sirkulasi Minyak Paksaan Pada sirkulasi paksaan kenaikan minyak akan lebih kecil daripada sirkulasi minyak alami.pada kondisi ini, nilai dari kenaikan puncak minyak adalah 40 0 C dan kenaikan temperature hot-spot adalah 78 0 C. Kenaikan temperature hot-spot 78 0 C diperoleh dengan [9]: kenaikan puncak minyak adalah 40 0 C dan perbedaan temperatur antara hot-spot dengan puncak minyak 38 0 C. sehingga: Kenaikan temperatur hot-spot = 40 0 C C = 78 0 C

12 2.8 Pengaruh Pembebanan Terhadap Umur Isolasi Pengaruh pembebanan terhadap umur transformator dapat terjadi karena 2 hal, yaitu pada kondisi beban stabil dan pada kondisi beban berubah-ubah Pada Kondisi Beban Stabil Kenaikan Temperatur Top Oil pada Beban Tertentu Kenaikan temperatur top oil ini sama dengan kenaikan top oil pada besar daya dikalikan dengan perbandingan dari total rugi-rugi dan dipangkatkan dengan x. Persamaan ini dirumuskan [9]: 1+dd KK2 θθ bb = θθ bbbb 1+dd xx..(2.14) Dimana: θθ bb = kenaikan temperatur top oil θθ bbbb = temperatur dengan besarnya : θθ bbbb = 55 0 C untuk ON, dan θθ bbbb = 40 0 C untuk OF x d K = tergantung dari jenis pendingin, besarnya: x = 0,9 untuk ONAN dan ONAF x = 1,0 untuk OFAF dan OFWF = perbandingan rugi rugi daya pada pengenal = rugi beban nol = rasio pembebanan, dirumuskan: = SS SS rr Kenaikan Temperatur Hot-spot pada Beban Tertentu Kenaikan temperature Hot-spot dapat dirumuskan dengan [9]: θθ cc = θθ bb + ( θθ cccc θθ bbbb )KK 2yy...(2.15) Dengan memasukkan persamaan (2.14) di atas maka akan diperoleh:

13 xx 1+dd KK2 θθ cc = θθ bbbb 1+dd +( θθ cccc θθ bbbb )KK 2yy...(2.16) Dimana: θθ cccc = 78 0 C θθ bbbb = tergantung pada jenis pendingin y θθ bbbb = 55 0 C untuk ON, dan θθ bbbb = 40 0 θθ cc = kenaikan temperatur hot-spot K = rasio pembebanan C untuk OF = tergantung pada jenis pendingin y = 0,8 untuk ONAN dan ONAF y = 0,9 untuk OFAF dan OFWF Pada Kondisi Untuk Beban Berubah-ubah Kenaikan Temperatur Top Oil Kenaikan temperatur top oil θθ bbbb setelah pemakaian setelah pemakaian selama t mendekati persamaan eksponensial yang dapat dirumuskan [9]: θθ bbbb = θθ bb0 + ( θθ bb θθ bb0 ) 1 ee tt/ττ.(2.17) Dimana: θθ bb0 = kenaikan temperatur awal minyak θθ bb = kenaikan temperatur akhir minyak yang telah distabilkan sesuai dengan pertimbangan beban ττ= waktu dalam jam, dengan: ττ = 3 jam untuk ONAN dan ONAF ττ = 2 jam untuk OFAF dan OFWF θθ bbbb = kenaikan temperatur top oil Kenaikan Temperatur Hot-spot Kenaikan temperature hot-spot pada saat waktu tertentu sebelum distabilkan dapat diperoleh dengan mengasumsikan bahwa kenaikan temperatur hot-spot adalah di atas kenaikan temperatur top oil [9].

14 Kenaikan temperatur hot-spot pada saat tertentu dapat dirumuskan: θθ cc = θθ bbbb + ( θθ cccc θθ bbbb )KK 2yy..(2.18) Dengan memasukkan persamaan (2.17) di atas, maka akan diperoleh persamaan: θθ cc = θθ bb0 + ( θθ bb θθ bb0 ) 1 ee tt/ττ + ( θθ cccc θθ bbbb )KK 2yy.(2.19) Dimana: θθ cc = kenaikan temperatur hot-spot θθ bb0 = kenaikan temperatur awal minyak θθ bb = kenaikan temperatur akhir minyak yang telah distabilkan sesuai dengan pertimbangan beban ττ= waktu dalam jam, dengan: ττ = 3 jam untuk ONAN dan ONAF ττ = 2 jam untuk OFAF dan OFWF θθ bbbb = kenaikan temperatur top oil y = tergantung pada jenis pendingin y = 0,8 untuk ONAN dan ONAF y = 0,9 untuk OFAF dan OFWF K = rasio pembebanan 2.9 Penentuan Umur Isolasi Transformator. Umur isolasi transformator dipengaruhi oleh panas yang terjadi dan waktu. Untuk menentukan umur transformator biasanya digunakan persamaan Arrhenius [6]: DD = ee αα+ββ/tt...(2.20) Dimana: D = umur transformator yang diinginkan αα + ββ = konstanta material T = suhu absolut dari hotspot

15 Untuk level temperatur pengoperasian transformator, Montsinger mengusulkan hubungan persamaan yang lebih sederhana, yaitu: DD = KK ee pppp...(2.21) Dimana: D = umur transformator yang diinginkan K dan p = konstanta material v = temperature hot-spot ( 0 C) 2.10 Umur Pemakaian Relatif Persamaan Montsinger dapat digunakan untuk menentukan umur pemakaian relatif pada temperatur θθ cc, dibandingkan dengan umur pada saat pemakaian normal θθ cccc. Dirumuskan [9]: VV = penggunaan umur saat θ c penggunaan umur saat θ cr = 2 (θ c θ cr )/6 VV =ee 0,693(θ c θ cr )/ (2.22) Dimana: VV = umur pemakaian relatif θθ cccc = 98 0 C (nilai ini dari publikasi IEC 76 (1967) Bila persamaan (2.22) di atas diubah dalam bentuk log 10, maka akan diperoleh persamaan: VV = 10 (θ c 98)/19,93 (2.23) 2.11 Persamaan Diagram Kehilangan Umur dalam Periode 24 Jam Pengoperasian transformator dapat dibagi dalam dua macam, yaitu saat pengoperasian dengan temperatur konstan dan pengoperasian dengan temperatur berubah-ubah.

16 Pengoperasian dalam Temperatur Konstan Umur pemakaian pada pengoperasian temperatur konstan dapat dirumuskan dengan tv Pengoperasian dalam Temperatur Berubah-ubah Umur pemakaian pada pengoperasian temperatur berubah-ubah dapat tt dirumuskan dengan VVVVVV Durasi Pengoperasian yang Masih Diijinkan pada θθ cc Dari persamaan (2.23) diperoleh: θθ cc = ,93 log 10 VV (2.24) Umur pemakaian dalam jam: tttt = tt x10 (θθcc 98)/ (2.25) Sehingga tv sama dengan 24: tt = 24 = 24 x VV 10(θθcc 98)/ (2.26)