Materi Seminar tugas akhir

Transkripsi

1 1 Materi Seminar tugas akhir AALISIS PEGARUH PEMBEBAA TRASFORMATOR TERHADAP KADUGA GAS TERLARUT MIAK ISOLASI Agung Ekosurya Harsono [1], Ir. Tejo Sukmadi [2], Karnoto ST.MT [3] ABSTRAK Minyak transformator merupakan salah satu komponen penting dalam suatu transformator, karena fungsinya selain sebagai isolator yang memberikan fungsi isolasi antar belitan dalam transformator, juga sebagai media pendingin untuk menyerap panas dari inti transformator dan belitan transformator. Kandungan gas yang terlarut dalam minyak transformator secara tidak langsung menunjukkan kondisi dari transformator itu sendiri. Oleh karena itu analisa terhadap minyak transformator atau Diissolved Gas Analys (DGA) perlu dilakukan untuk mengetahui jenis gangguan yang mungkin terjadi dalam transformator, sehingga dapat langsung dilakukan suatu tindakan dan perhatian khusus terhadap transformator sebelum kondisinya bertambah buruk. Tugas akhir ini membahas tentang pengaruh pembebanan transformator terhadap kandungan gas terlarut pada minyak isolasi transformator. Penelitian ini dilakukan dengan membandingkan beberapa metoda interpretasi yaitu TDCG, Doenenburg, Rogers, dan Gas Kunci. Sampel uji yang digunakan sebagai bahan analisa adalah sampel minyak transformator pada beberapa gardu induk milik PT. PL (Persero) P3B Region 3 Jateng dan DI. Hasil penelitian menunjukkan bahwa peningkatan pembebanan pada transformator akan berdampak pada meningkatnya jumlah gas terlarut yang mudah terbakar dalam minyak transformator. Hal ini akan menjelaskan bahwa transformator tersebut talah mengalami gangguan yang dapat berupa gangguan thermal (thermal fault), partial discharge, maupun arcing. Kata kunci : minyak transformator, pembebanan, gas terlarut, DGA,Gangguan I. PEDAHULUA Transformator adalah salah satu alat yang sangat penting dalam suatu sistem tenaga listrik. Fungsi utama dari transformator adalah untuk mengubah level tegangan dari satu level tegangan ke level tegangan yang lain. Pada pemakaian suatu transformator tegangan tinggi diperlukan isolasi untuk mengisolasi antara bagian yang bertengangan dan bagian yang tidak bertegangan serta untuk mengisolasi bagian-bagian antara fasa yang bertegangan. Sistem isolasi yang terdiri dari minyak transformator dan isolasi kertas merupakan bagian yang perlu perneliharaan dengan baik. Kelangsungan operasi dari transformator sangat bergantung kepada kualitas sistem isolasinya. Minyak transformator selain berfungsi sebagai isolasi dan pendingin. juga mempunyai sifat dapat melarutkan gas-gas yang timbul akibat kerusakan sistem isolasi baik isolasi padat (cellulose) maupun isolasi cair (minyak transformator) selama dalam operasinya. Selama transformator beroperasi maka minyak transformator di dalamnya akan mengalami beban berupa medan listrik dan juga beban thermal yang berasal baik dari belitan maupun inti transformator. Pembebanan lebih dalam jangka panjang dapat menyebabkan penurunan karakteristik dielektrik, fisik dan kimia minyak transformator selain itu juga menyebabkan timbulnya gas-gas terlarut yang berada dalam minyak transformator. Tugas akhir ini disusun untuk mencari hubungan antara pembebanan transformator terhadap jumlah kandungan gas terlarut minyak isolasi dan menganalisa gas terlarut yang muncul untuk diketahui jenis gangguan yang muncul pada transformator. [1] Mahasiswa Teknik Elektro UDIP [2] [3] Staf Pengajar Teknik Elektro UDIP

2 2 II. DASAR TEORI 2.1 Pengertian Transformator Transformator merupakan peralatan yang berfungsi mengkonversi (merubah) arus atau tegangan bolak-balik dari nilai tertentu menjadi nilai yang lain. Konstruksi dasar transformator adalah suatu inti/teras besi terdiri dari dari keping-keping besi tipis yang disekat satu dengan yang lain yang dililiti oleh 2 bagian kumparan konduktor. Satu sisi kumparan bagian tegangan tinggi dan sisi lainnya adalah kumparan bagian tegangan rendah. Penggunaan transformator pada sistem penyaluran tenaga listrik dapat dibagi : a) Trafo penaik tegangan (Step up) atau disebut trafo daya, untuk menaikkan tegangan pembangkit menjadi tegangan transmisi. b) Trafo penurun tegangan (Step down), dapat disebut trafo distribusi, untuk menurunkan tegangan transmisi menjadi tegangan distribusi.trafo instrumen, untuk pengukuran yang terdiri dari trafo tegangan dan trafo arus, dipakai menurunkan tegangan dan arus agar dapat masuk ke meter-meter pengukuran. 2.2 Dasar Teori Transformator Apabila kumparan primer dihubungkan dengan tegangan (sumber), maka akan mengalir arus bolak balik I 1 pada kumparan tersebut. Oleh karena kumparan menpunyai inti, arus I 1 menimbulkan fluks magnet yang berubah-ubah pada intinya. Akibat adanya fluks magnet yang berubah-ubah, pada kumparan primer akan timbul GGL induksi e p. Besarnya GGL induksi pada kumparan primer adalah: e p d p dt e p : GGL induksi pada kumparan primer p : jumlah lilitan kumparan primer d : perubahan garis-garis gaya magnet dalam satuan Weber dt : perubahan waktu dalam satuan detik. Fluks magnet yang menginduksikan GGL induksi e p juga dialami oleh kumparan sekunder karena merupakan fluks bersama (mutual flux). Dengan demikian fluks tersebut menginduksikan GGL induksi e s pada kumparan sekunder. Besarnya GGL induksi pada kumparan sekunder adalah: d e s s dt s : jumlah lilitan pada sisi sekunder. 2.3 Minyak Isolasi Transformator Minyak transformator juga memberikan fungsi isolasi antara belitan-belitan dengan badan transformator dan benda-benda lain di luar transformator. Selain itu minyak transformator juga berfungsi sebagai media pendingin untuk menyerap panas dari inti trafo dan dari belitan transformator. Suatu peralatan elektrik harus memiliki isolasi elektrik dan juga harus memiliki isolasi thermal. Isolasi elektrik berfungsi sebagai pemisah antara bagianbagian peralatan yang memiliki beda potensial, sedangkan isolasi thermal berfungsi menyerap panas yang terdisipasi. Minyak dianggap dapat memenuhi dua fungsi tersebut. Untuk memenuhi tujuan-tujuan tersebut minyak yang ideal harus memiliki beberapa keriteria berikut : 1. Tegangan Tembus Minyak (Breakdown Voltage) 2. Tegangan Antar Permukaan (Interfacial Tension / IFT) [1] Mahasiswa Teknik Elektro UDIP [2] [3] Staf Pengajar Teknik Elektro UDIP

3 3 3. Kandungan air dalam minyak (Water content) 4. Angka kenetralan (eutralization umber / ) 5. Flash point 6. Warna 7. Kejernihan (Appearance) 8. Titik tuang (Pour point) 9. Viskositas kinematik (Kinematic viscosity) 10. Massa jenis (Density) 11. Faktor Kebocoran Dielektrik (Dielectric Dissipation Factor) 2.4 Pengaruh Pembebanan Transformator Transformator dalam keadaan bertegangan dan belum dibebani akan timbul rugi-rugi yang dapat menimbulkan kondisi trafo tersebut panas, namun panas yang timbul kecil. Apabila transformator tersebut dibebani maka kumparan dan minyak di dalam trafo akan bertambah panas sesuai dengan kenaikan bebannya atau sebesar I 2 R. Panas yang timbul pada kumparan akan diteruskan secara konduksi pada minyak trafo yang berfungsi sebagai pendingin. Baik kumparan maupun minyak trafo mempunyai batas-batas operasi panas yang diijinkan. Isolasi kumparan yang terdiri dari kertas kraft mempunyai batas panas yang diijinkan sesuai dengan kelas isolasi spesifikasi trafo. Demikian juga minyak isolasi trafo mempunyai batas panas yang diijinkan. Apabila panas-panas tersebut dilampaui maka isolasi akan rusak dan secara keseluruhan transformator tersebut akan rusak. Panas tersebut harus direduksi dengan memasang sistem pendingin. 2.5 Mekanisme Pembentukan Gas Dekomposisi Minyak Minyak isolasi mineral dibentuk dari beberapa molekul hidrokarbon yang mengandung gugus kimia CH 3, CH 2, dan CH yang dihubungkan oleh ikatan molekul carbon. Pemutusan beberapa ikatan C-H dan C-C dapat terjadi sebagai akibat gangguan elektrik dan thermal, dengan bentuk pecahan kecil yang tidak stabil, dalam bentuk radikal atau ion seperti H*, CH 3 *, CH 2 *, CH* atau C* (diantara bentuk lain yang lebih kompleks) yang terkombinasi kembali dengan cepat melalui reaksi kompleks menjadi molekul gas seperti Hidrogen H-H methane CH 3 -H ethane CH 3 - CH 3 ethylene CH 2 =CH 2 atau acetylene CH CH. Gas gas tersebut terbentuk larut dalam minyak, atau terakumulasi sebagai gas bebas jika pembentukannya dalam jumlah besar dan waktu yang cepat. Dekomposisi Isolasi Kertas Saat terjadi dekomposisi minyak akibat panas, isolasi selulosa menghasilkan CO & CO 2 dan beberapa H 2 dan CH 4 dalam minyak. Tingkat seberapa besar senyawa yang dibentuk tergantung suhu dan volume material pada suhu tersebut. Proses over heating Bila selulosa / kertas dipanaskan dengan over heating (paling rendah C) dalam sistem tertutup sesuai dengan kondisi transformator, maka terjadi penguraian selulosa menjadi gas karbon monoksida (CO), karbon dioksida (CO 2 ) dan H 2 O. Proses pirolisis Bila selulosa dipanaskan sampai terurai dengan proses pirolisis dan temperatur diatas C dalam sistem tertutup, maka kan terbentuk lebih banyak karbon monoksida (CO) dari pada karbon dioksida (CO 2 ) dengan jumlah kira-kira CO lebih besar empat kali dari CO Jenis Gangguan ang Terjadi Pada Transformator Pada Komponen yang ada pada transformator antara lain adalah : konduktor, bushing, dan isolasi (padat dan cair) dll. Dalam hal ini bahan yang mudah [1] Mahasiswa Teknik Elektro UDIP [2] [3] Staf Pengajar Teknik Elektro UDIP

4 4 terurai dari transformator adalah bahan organik yang berasal dari bahan isolasi padat dan isolasi cair (minyak), sedangkan bahan anorganik yang berasal dari konduktor, keramik dan logam lain relatif tidak terdekomposisi dalam kondisi operasi transformator. penyebab utama terbentuknya gas-gas dalam kondisi transformator yang selang beroperasi adalah adanya gangguan : Partial Discharge yang terjadi pada minyak transformator menyebabkan timbulnya gas hidrogen (H 2 ). Sedangkan partial discharge yang terjadi pads selulosa menyebabkan timbulnya gas hidrogen (H 2 ), karbonmonoksida (CO). karbondioksida (CO 2 ). Thermal degradation yang terjadi pada minyak transformator, pada temperatur rendah menyebabkan timbulnya gas metana (CH 4 ) dan etana (C 2 H 6 ), pada temperatur tinggi menyebabkan timbulnya gas etilen (C 2 H 4 ), hidrogen (H 2 ) dan sedikit gas metana (CH 4 ) dan etana (C 2 H 6 ). Sedangkan thermal degradation yang terjadi pada selulosa. pada temperatur rendah menyebabkan timbulnya gas karbondioksida (CO 2 ) dengan sedikit karbon monoksida (CO) dan pad a temperatur tinggi men yeb abkan timbulnya gas karbonmonoksida (CO) dengan sedikit karbondioksida (CO 2 ). Arcing yang terjadi pads minyak transformator menyebabkan timbulnya gas hidrogen (H 2 ) dan Asetilen (C 2 H 2 ). komposisi gas baik secara kualitatif maupun kuantitatif. Dasar kerja dari alat kromatografi gas adalah berdasarkan sifat penyerapan sistem kolom kromatografi gas terhadap sampel gas. Sampel gas (campuran gas) yang diinjeksikan kedalam alat, dialirkan oleh gas pembawa sehingga gas mempunyai perbedaan sifat penyerapan yang terpisah. Pemisahan gas-gas tersebut, masing-masing akan dideteksi oleh suatu detektor yang akan dikonversikan kepada sistem pencatat atau integrator. Jenis dan jumlah gas yang diinjeksikan dapat diketahui dengan jalan membandingkan atau melakukan hal yang sama terhadap gas standar yang telah diketahui komposisinya. 3.2 Metode Intepretasi Gangguan Pada chart pembentukan gas dapat dilihat pada keadaan suhu tertentu suatu gas akan terbentuk lebih besar dari gas lainnya. Metoda ini menggunakan hubungan ini dengan melihat bahwa pada suhu tertentu maka akan terdapat komposisi dari gas yang dapat dibuat rasionya. III. METODE PEELITIA 3.1 Alat Pengujian Sampel Alat yang digunakan selama pengujian adalah kromatograf yang berfungsi memisahkan komponen gas dan kemudian mendeteksinya. Sampel gas yang telah dipisahkan dari minyak transformator dilakukan analisis terhadap [1] Mahasiswa Teknik Elektro UDIP [2] [3] Staf Pengajar Teknik Elektro UDIP

5 5 Chart diatas adalah representasi dari teori thermal degradation principles dimana pembentukan senyawa gas hidrokarbon dipengaruhi suhu gangguan (fault temperature). GAS IPUT H2 CH4 C2H2 C2H4 >2L1 <0,1 C2H6 CO >L1 R3 <3 RATIO TEST OK? R4 >0,4 ORMAL GAGGUA TAK TERDETEKSI LAKUKA UJI ULAG PARTIAL DISCHARGE 1. Metode Total Dissolved Combustible Gases (TDCG) Gas yang mudah terbakar menurut IEEE adalah Karbonmonoksida (CO), Metana (CH 4 ), Etana (C 2 H 6 ), Etilen (C 2 H 4 ), Asetilen (C 2 H 2 ), Hidrogen (H 2 ). Jumlah konsentrasi (ppm) dari masingmasing gas tersebut di atas merupakan kandungan total dissolved combustible gases (TDCG). Komposisi gas terlarut dalam minyak dapat merepresentasikan kondisi minyak itu sendiri. Standar yang digunakan dalam analisis ini adalah IEEE C dan ASTM Test Method D-3612 sesuai dengan label IEEE limits berikut ini : 0,1-1 >1 >0,75 <0,75 R3 >0,3 R3 <0,3 : CH 4 /H 2 : C 2 H 2 /C 2 H 4 R3 : C 2 H 2 /CH 4 R4 : C 2 H 6 /C 2 H 2 R4 < 0,4 R4 >0,4 GAGGUA TAK TERDETEKSI LAKUKA UJI ULAG ARCIG GAGGUA TAK TERDETEKSI LAKUKA UJI ULAG GAGGUA THERMAL 3. Metode Rasio Rogers 2. Metode Doenenburg Dasar dari metoda ini adalah Chart pembentukan Senyawa gas di minyak terhadap suhu. Pada Suhu tertentu akibat gangguan maka akan terbentuk senyawa gas hidrokarbon dengan pola komposisi seperti pada chart. Dengan mengetahui rasio gas maka dapat ditentukan dia berada pada titik suhu mana dan gangguan apa yang terjadi dengan mengakibatkan terjadinya suhu sebesar demikian. GAS IPUT Rasio Rogers dapat diperoleh dengan membandingkan kuantitas dari berbagai gas gas kunci yang akan memberikan sebuah nilai rasio suatu gas kunci terhadap gas Lainnya. Untuk lebih jelasnya nilai dan diagnosis gangguan dengan rasio rogers dapat dilihat pada fowchart berikut ini: < 0,1 0,1-1 >1 < >3 CASE 0 O FAULT CASE 3 LOW TEMPERATURE THERMAL OVERLOADIG CASE 4 THERMAL <700 C CASE 5 THERMAL >700 C 0,1-1 < 0,1 < 0,1 CASE 1 PD IFLUECE VOLTAGE (RIV) 1-3 0,1-1 >3 CASE 2 HIGH EERG ARCIG [1] Mahasiswa Teknik Elektro UDIP [2] [3] Staf Pengajar Teknik Elektro UDIP

6 6 4. Metode Gas Kunci Gas gas yang dilihat pada metoda ini adalah gas gas yang terbentuk dari proses penurunan kualitas minyak & kertas selulosa yaitu H 2, CH 4, C 2 H 2, C 2 H 4, C 2 H 6, CO Thermal Oil Hasil pemburukan termasuk ethylene dan methane, ditambah dengan kecilnya kehadiran hydrogen dan methane. Gas Kunci : Ethylene Thermal Celullose Jumlah besar dari senyawa CO dan CO 2 dibentuk dari panas berlebih pada kertas sellulose. Gas kunci : Carbon monoksida Electrical Korona Elektrik discharge low- energy menghasilkn hydrogen dan methane, dengan jumlah kecil ethane dan ethylene. Gas kunci: Hidrogen Electrical Arcing Jumlah yang banyak darihydrogen dan acetylene dengan jumlah sedikit methane dan ethylene terjadi saat arcing. Gas kunci : acetylene Data hasil pengujian dengan gas kromatografi meliputi banyaknya jumlah kandungan gas yang telarut (dalam ppm) dari masing-masing transformator yang diambil sampel minyaknya. Data tahun 2007 Data tahun 2008 Data tahun 2009 Data tahun 2010 IV. AALISA DA PEMBAHASA 4.1 Data Transformator Penyusunan tugas akhir ini dilakukan dengan pengambilan data sampel uji minyak transformator pada beberapa gardu induk di wilayah PT. PL (Persero) P3B Region 3 Jateng dan DI. Berikut ini data persentase pembebanan masing-masing transformator : 4.2 Interpretasi Minyak Transformator Metode Total Dissolved Combustible Gasses (TDCG) Berdasarkan data pengujian minyak transformator pada beberapa gardu induk di wilayah PT. PL (Persero) P3B Region 3 Jateng dan DI, maka perbandingan pembebanan transformator terhadap total kandungan gas terlarut pada masing-masing transformator tersebut adalah : [1] Mahasiswa Teknik Elektro UDIP [2] [3] Staf Pengajar Teknik Elektro UDIP

7 4.2.2 Metode Doenenburg Metode ini menggunakan 4 jenis rasio gas dalam melakukan interpretasi yaitu,, R3, dan R4. Dengan menggunakan bantuan program delphi kita dapat melakukan interpretasi minyak transformator dengan menggunakan metode doenenburg sehingga diperoleh hasil interpretasi sebagai berikut : Metode Rogers Pada metode rogers ini rasio yang digunakan antara lain,, dan Metode Gas Kunci Metode ini digunakan untuk memprediksi gangguan yang terjadi pada minyak dengan cara membandingkan komposisi combustible gas dan mencari gas dengan konsentrasi tertinggi sebagai gas kunci. Korelasi antara gas kunci dengan gangguan yang terjadi ditentukan berdasarkan standar IEEE C Berikut ini adalah data-data persentase gas-gas yang mudah terbakar yang terlarut dalam sampel minyak transformator [1] Mahasiswa Teknik Elektro UDIP [2] [3] Staf Pengajar Teknik Elektro UDIP

8 8 Dengan menggunakan bantuan program delphi, kita dapat mengetahui kondisi gangguan yang mungkin muncul pada minyak transformator berdasarkan metode gas kunci sehingga diperoleh hasil interpretasi sebagai berikut : V. PEUTUP 5.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil studi dan analisa yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa : 1. Semakin tinggi tingkat pembebanan transformator maka laju peningkatan gas terlarut pada minyak akan semakin meningkat pula. 2. Hasil interpretasi dengan metode Rogers dan Doenenburg menunjukkan pada pembebanan 62,2% hingga 80,8% tampak terjadinya gangguan thermal pada transformator, sedangkan pembebanan diatas 88% menunjukkan adanya gangguan arcing. Untuk metode gas kunci hasil interpretasi menunjukkan bahwa pada pembebanan 62,2% hingga 70,8% tampak adanya gangguan thermal pada minyak, sedangkan pembebanan diatas 80,8% tampak adanya gangguan thermal pada isolasi kertas. 5.2 Saran Berdasarkan hasil studi dan analisa yang telah dilakukan, maka saran yang dapat penulis berikan adalah : 1. Untuk transformator yang berada pada kondisi level 2 berdasarkan metode TDCG dan atau terdeteksi gangguan thermal dengan suhu kurang dari 300 C berdasarkan metode rasio gas, hendaknya diberikan perhatian khusus berupa pengambilan sampel untuk pengujian yang lebih rutin agar dapat diketahui laju peningkatan combustible gas pada minyak. 2. Untuk transformator yang berada pada kondisi level 3 dan 4 berdasarkan metode TDCG dan atau terdeteksi gangguan thermal dengan suhu lebih dari 300 C maupun arcing berdasarkan metode rasio gas, hendaknya segera dilakukan tindakan berupa purifikasi pada minyak jika terjadi kegagalan pada minyak dan re-winding isolasi kertas belitan apabila terjadi kegagalan pada isolasi kertas. Daftar Pustaka: [1]. A. Arismunandar, S. Kuwahara, Buku Pegangan Teknik Tenaga Listrik, Jilid III, Jakarta : Pradnya Paramita, [2]. IEC, Loading Guide For Oil Immersed Transformer, IEC Publication, [3]. IEC 60599, Mineral oil-impregnated eletrical equipment in service : Guide to the interpretation of dissolved and free gases analysis, IEC Publication ( ), Mar [4]. IEEE Guide for the Interpretation of Gases Generated in Oil-Immersed Transformers,. IEEE Standart C , June/July [1] Mahasiswa Teknik Elektro UDIP [2] [3] Staf Pengajar Teknik Elektro UDIP

9 9 [5]. IEEE Standart General Requirements for Liquid-Immersed Distribution, Power, and Regulating Transformers, IEEE Standart C , June [6]. Kadir, Abdul, Transformator, Jakarta : Pradnya Paramita, [7]. PT. PL (Persero) P3B, Panduan PemeliharaanTransformator, PT. PL, [8]. PT. PL (Persero), Pedoman Pembebanan Transformator Terendam Minyak, SPL 17, [9]. PT. PL (Persero) P3B, Validasi Hasil Uji DGA RJKB, Forum Enjiniring Ke-3, Surabaya, [10]. Rahmatullah Arif F, M, Analisis Indikasi Kegagal Transformator dengan Metode Dissolved Gas Analys, Tugas Akhir Teknik Elektro, FT UDIP, Semarang, [11]. Sigit, Purnama, Analisa Pengaruh Pembebanan Terhadap Susut Umur Transformator Tenaga, Tugas Akhir Teknik Elektro, FT UDIP, Semarang, [12]. SPL 49_1 : 1982, Pedoman Penerapan Spesifikasi dan Pemeliharaan Minyak Isolasi. [13]. Tobing, B.L., Peralatan Tegangan Tinggi, Jakarta : PT. Gramedia Pustaka Utama, Pembimbing I, Penulis Agung Ekosurya Harsono (L2F ) lahir di Rembang, menyelesaikan pendidikan dasar hingga pendidikan menengah di Rembang. Saat ini sedang menempuh pendidikan di jurusan Teknik Elektro bidang Konsentrasi Teknik Energi Listrik Universitas Dipenegoro Mengetahui, Pembimbing II, Ir. Tejo sukmadi, MT Karnoto, ST. MT [1] Mahasiswa Teknik Elektro UDIP [2] [3] Staf Pengajar Teknik Elektro UDIP