BAB II TRANSFORMATOR DISTRIBUSI DAN SISTEM PENGAMANNYA 2.1 Umum Transformator merupakan suatu perangkat listrik yang berfungsi untuk mentransformasikan tegangan dan arus dari sisi primer ke sisi sekunder dengan daya yang sama. Dengan pengaturan tegangan dan arus pada transformator, akan diperoleh suatu tegangan dan arus sistem sesuai yang direncanakan. Pada umumnya transformator dapat dibedakan menjadi dua, yaitu transformator distribusi dan transformator daya. Transformator distribusi digunakan untuk penurun tegangan (step down) dan merupakan jenis pasangan tiang dengan umur harap normal dari transformator yaitu 20 tahun (berdasarkan standard IEC, dengan beban kontinyu). Sedangkan transformator daya merupakan transformator dengan kapasitas pemindahan daya yang besar, misal transformator daya pada saluran distribusi dengan rating 20 kv-380 V/ 220 V, 630 kva. Pada sistem tenaga listrik, transformator daya bisa diklasifikasikan menjadi dua, yaitu transformator daya untuk sistem transmisi dan transformator daya untuk saluran distribusi. Pembahasan sistem tenaga listrik pada skripsi ini diutamakan pada transformator daya untuk distribusi primer. 2.2 Jenis Gangguan Pada Transformator Menurut tempatnya, jenis gangguan pada trafo distribusi dibedakan menjadi dua golongan, yaitu gangguan luar (external faults) dan gangguan dalam (internal faults). 2.2.1 Gangguan Luar (External Faults) Gangguan luar dibedakan menjadi dua macam, yaitu keadaan beban lebih (overload condition) dan hubung singkat luar (external short circuit). Hubung singkat luar diatasi dengan memasang sekring yang harus dikoordinasikan secara
baik dengan pengaman arus yang lain agar pengaman yang lain tersebut tidak ikut bekerja. 2.2.2 Gangguan Dalam (Internal Faults) Gangguan dalam adalah gangguan yang terjadi pada trafo itu atau pada perlengkapannya. Proteksi yang ditugaskan untuk mengamankan trafo terhadap gangguan dalam, bersifat sebagai pengaman primer (primery protection). Gangguan dalam dibedakan menjadi dua macam, yaitu gangguan permulaan (incipient fault) dan gangguan elektris (electrical fault). Gangguan permulaan dan gangguan elektris mempunyai sifat yang berbeda-beda dan cara mendeteksinya juga berbeda. 2.2.2.1 Gangguan Permulaan (Incipient Fault) Gangguan permulaan pada awalnya berupa gangguan kecil (minor fault), yang menimbulkan kerusakan secara perlahan, jika dibiarkan gangguan tersebut akan menjadi besar. Macam-macam gangguan permulaan : a. Hubung elektris yang buruk pada hantaran atau gangguan pada inti (karena pecahnya isolasi di antara lapisan-lapisan inti, pada baut atau ring baut) yang menimbulkan busur terbatas di dalam minyak. b. Kegagalan pendingin, yang menyebabkan kenaikan suhu walaupun trafo beroperasi dibawah beban penuhnya. c. Isi minyak yang terlalu rendah atau aliran (edaran) minyak yang tersumbat juga merupakan kegagalan pendingin, yang menyebabkan pemanasan lokal pada bagian kumparan atau inti trafo. d. Kegagalan pada regulator atau pembagian beban yang tidak seimbang pada trafo tiga phasa dan trafo yang bekerja paralel, dapat menimbulkan panas berlebihan karena arus sirkulasi.
2.2.2.2 Gangguan Elektris (Electrical Fault) Gangguan elektris dapat menimbulkan kerusakan serius dalam waktu singkat, yaitu berupa hubung singkat. Gangguan elektris harus diatasi dengan melepaskan secepat mungkin trafo itu dari jaringan, agar kerusakan yang lebih parah dapat dihindari dan tegangan sistem cepat dapat dipulihkan. Macam-macam gangguan elektris : a. Hubung singkat phasa ke tanah atau phasa ke phasa pada terminal luar primer dan sekunder trafo. b. Hubung singkat phasa ke tanah pada kumparan primer atau sekunder trafo. c. Hubung singkat antar lilitan-lilitan pada kumparan primer dan sekunder trafo. d. Hubung singkat pada kumparan tersier. Harus diperhatikan bahwa pengaman yang digunakan untuk mengatasi gangguan elektris, tidak dapat mendeteksi gangguan permulaan. Begitu pula pengaman yang digunakan untuk mengatasi ganggua permulaan tidak dapat mendeteksi seluruh ganggua elektris, dan bekerjanya juga tidak cukup cepat. Jadi, kedua kelompok pengaman tersebut tidak dapat saling menggantikan tetapi saling melengkapi, oleh karena itu perlu dipergunakan bersama-sama. 2.3 Konstruksi Bagian-bagian Transformator Distribusi 2.3.1 Komponen dan Bahan Baku Transformator dirancang dan dibuat dari komponen dan bahan baku yang sama sekali baru dan sesuai dengan persyaratan dan/ atau standard desain. Transformator dilengkapi pula dengan alat-alat pelengkap yang baru pula dan sesuai dengan spesifikasi yang ditetapkan oleh fabrikan. Bagi transformator produksi dalam negeri, yang dimaksudkan dengan fabrikan ialah pemberi lisensi. Komponen, bahan baku dan alat-alat pelengkap tersebut serta penyelesaiannya
haruslah disesuaikan pula dengan geogragis dan iklim Indonesia, khususnya mempunyai sifat tahan karat (korosi). 2.3.2 Bagian Utama Bagian-bagian utama pada transformator bisa dilihat pada gambar 2.1 dibawah ini. Arrester Bushing Tangki Kumparan/ belitan Gambar 2.1 Bagian-bagian transformator 2.3.2.1 Inti Besi Inti besi berfungsi untuk mempermudah jalannya fluks yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melalui kumparan. Rangkaian magnetik dibuat dari inti besi silikon (grain oriented silicon steel) dan membentuk rangkaian magnetik tertutup. Dibuat dari lempengan-lempengan besi tipis yang berisolasi, untuk mengurangi panas (sebagai rugi-rugi besi) yang ditimbulkan oleh Eddy Current. Rangka inti besi harus di baut dengan tangki trafo sehingga kokoh dan mudah dalam pemasangan maupun dalam melepaskan/ atau membongkarnya.
2.3.2.2 Kumparan Transformator Belitan dibuat dari tembaga atau aluminium berisolasi berkonduktivitas tinggi dan terendam minyak. Antara belitan dengan tangki bagian bawah diberi sekat sebagai tumpuan belitan sekaligus sebagai isolator. Bentuk belitan adalah konsentris. Contoh kumparan transformator dapat digambar 2.2. Gambar 2.2 Contoh rakitan inti dan kumparan trafo tiga phasa 2.3.2.3 Minyak Transformator Sebagian besar kumparan-kumparan dan inti trafo tenaga direndam dalam minyak trafo, terutama trafo-trafo tenaga yang berkapasitas besar, karena minyak trafo mempunyai sifat sebagai isolasi dan media pemindah, sehingga minyak trafo tersebut berfungsi sebagai media pendingin dan isolasi. 2.3.2.4 Busing Hubungan antara kumparan trafo ke jaringan luar melalui sebuah busing yaitu sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator, yang sekaligus berfungsi sebagai penyekat antara konduktor tersebut denga tangki trafo. Contoh kontruksi busing trafo dapat dilihat di gambar 2.3. Busing dibagi menjadi dua, yaitu:
1. Busing Tegangan Primer Busing tegangan primer dibuat dari porselen dengan jarak rambat minimum 430 mm, dan dilengkapi dengan terminal untuk keperluan penghubung dengan penampang minimal 70 mm 2 pada bagian atas busing. Busing tegangan primer harus ditempatkan pada permukaan tutup transformator secara kedap (memakai perapat). 2. Busing Tegangan Sekunder Busing tegangan sekunder dibuat dari porselen dan dilengkapi dengan terminal untuk keperluan penghubung sekunder dengan penampang: - Transformator 5-25 kva : minimal 50 mm 2 - Transformator 50 kva : minimal 70 mm 2 Busing tegangan sekunder harus ditempatkan pada dinding transformator secara kedap (diberi perapat). Terminal bagian dalam dihubungkan dengan ujung kumparan sekunder dengan baut (di jepit oleh 2 mur) pada batang terminal. Jumlah busing sekunder ada 4 buah pada bagian bawah diberi tanda terminal dari kiri ke kanan xl, x2 dan x3, x4. Gambar 2.3 Contoh konstruksi bushing trafo 2.3.2.5 Tangki Tangki transformator dibuat dengan bentuk silinder atau persegi empat dari pelat baja dan dirancang kedap air dan udara. Bagian dalam dan luar tangki
dibersihkan secara kimiawi dan dicat untuk mencegah korosi. Dinding tangki tidak boleh diberi radiator atau berlekuk (corrugated). Tutup atas (cover) tangki bisa dilepas dan dibaut pada tangki dengan dilengkapi karet (gasket), bagian bawah dilas secara permanen. Dilengkapi dua pentanahan dengan baut pentanahan dari kuningan dengan ukuran M12. Pentanahan satu dipasang pada bagian bawah tangki dekat dengan dasar dan yang lain pada bagian tengah tangki di bawah busing tegangan sekunder dengan dilengkapi sambungan tembaga yang berfungsi untuk pentanahan sisi tegangan sekunder. Setiap peralatan yang dipasang pada sekeliling atau permukaan tangki trafo dan berhubungan dengan bagian dalam harus dilengkapi dengan perapat (karet/gasket). Tangki ini harus dilengkapi tempat arester, kupingan dan cantelan untuk persiapan pemasangan pada tiang. 2.3.3 Peralatan Bantu 2.3.3.1 Pendingin 1. Minyak transformator yang digunakan harus minyak-alami yang memenuhi standard minyak isolasi. Semua peralatan yang berhubungan dengan ujung-ujung belitan trafo (terminal busing sekunder) yang berada dalam tangki harus terendam minyak. 2. Transformator harus dibuat kedap udara. Konstruksi perapat harus sedemikian sehingga merupakan perapat antara bagian dalam tangki dengan atmosfir dan kandungan gas dan minyak tidak berubah. Transformator harus tetap tahan terhadap suhu minyak bagian atas dalam judul - 5 o C sampai dengan 120 o C pada kondisi kontinyu. 2.3.3.2 Peubah Tap (Tap changer) Tap changer adalah alat perubah perbandingan transformasi untuk mendapatkan tegangan operasi sekunder yang lebih baik (diinginkan) dari tegangan jaringan / primer yang berubah-ubah. Tap changer yang hanya bisa beroperasi untuk memindahkan tap transformator dalam keadaan transformator
tidak berbeban disebut Off Load Tap changer dan hanya dapat dioperasikan manual. Tap changer yang dapat beroperasi untuk memindahkan tap transformator, dalam keadaan transformator berbeban disebut On Load Tap changer dan dapat dioperasikan secara manual atau otomatis 2.3.3.3 Alat Pernapasan (Dehydrating Breather) Karena pengaruh naik turunnya beban transformator maupun suhu udara luar, maka suhu minyak pun akan berubah-ubah mengikuti keadaan tersebut. Bila suhu minyak tinggi, minyak akan memuai dan mendesak udara di atas permukaan minyak keluar dari tangki, sebaliknya apabila suhu minyak turun, minyak menyusut maka udara luar akan masuk ke dalam tangki. Kedua proses di atas disebut pernapasan transformator. Akibat pernapasan transformator tersebut maka permukaan minyak akan selalu bersinggungan dengan udara luar. Udara luar yang lembab akan menurunkan nilai tegangan tembus minyak transformator, maka untuk mencegah hal tersebut, pada ujung pipa penghubung udara luar dilengkapi dengan alat pernapasan, berupa tabung berisi kristal zat hygroskopis. Tabung pernapasan yang dimaksud diatas dapat dilihat pada gambar 2.4. (a) (b) Gambar 2.4 Contoh tabung pernapasan, baru masih berwarna biru(a),lama sudah terpakai berwarna kecoklatan (b)
2.3.3.4 Indikator-indikator Macam-macam indikator pada trafo antara lain : 1. Indikator suhu (Thermometer) minyak 2. Indikator permukaan minyak 3. Lampu indikator (Indicator lamp) 4. Indikator kedudukan tap Contoh indikator dapat dilihat pada gambar 2.5 dibawah ini. 2 4 1 3 Gambar 2.5 Macam-macam indikator, indikator suhu minyak (1), indikatorpermukaan minyak (2), lampu indikator (3), indikator tap (4)
2.3.4 Peralatan Pengaman 2.3.4.1 Pemutus tenaga Pemutus tenaga dipasang pada sisi sekunder dan di dalam tangki terendam minyak. Karakteristik pemutus tenaga harus disesuaikan dengan transformator yang mempunyai karakteristik bebansebagai berikut: a. Beban rata-rata sebesar 50 % kapasitas pengenal b. Beban lebih sebesar 150 % kapasitas pengenal selama 2 jam (suhu sekitar 30 o C). 2.3.4.2 Pegaman lebur (Fuse Link) Pengaman lebur dipasang pada sisi primer, di dalam busing atau terendam minyak, berfungsi untuk mengamankan jaringan tegangan tinggi (TM) terhadap gangguan internal trafo. Jika terjadi gangguan di dalam transformator maka arus menjadi besar sehingga memutuskan fuse link dan melepas transformator dari sistem tegangan tinggi. 2.3.4.3 Arester Arester dipasang di luar tangki dan terhubung paralel pada terminal busing sisi primer, berfungsi untuk mengamankan transformator terhadap gangguan petir. Arester mengalirkan arus surja ke tanah dengan merubah karakteristik impedansi arester dari tahanan tinggi ke tahanan rendah dan kembali lagi ke tahanan tinggi jika surja telah dialirkan. Pada kondisi tegangan kerja arrester terbuka dan terhubung singkat saat terjadi arus surja. 2.4 Sistem Pengamanan Transformator Distribusi 2.4.1 Tujuan Pengamanan Sistem tenaga listrik yang andal adalah sistem tersebut bisa mencatu tenaga listrik dengan stabil dan berkesinambungan. Pengamanan transformator dimaksudkan untuk mencegah transformator mengalami kerusakan akibat
gangguan-gangguan yang terjadi pada transformator tersebutdan membatasi daerah (zone) pemadaman sekecil mungkin. Oleh karena pada sistem pengaman tenaga listrik dikenal dengan daerah-daerah pengamanan, maka pengaman transformator juga berfungsi sebagai pengaman cadangan bagi sistem-sistem yang terkait. Dengan demikian pengaman transformator diharapkan dapat memberikan kontribusi keandalan sistem, khususnya dalam kesinambungan penyaluran pada konsumen. 2.4.2 Pertimbangan Pemilihan Perencanaan sistem pengaman transformator harus mempertimbangkan hal-hal sebagai berikut: 2.4.2.1 Jenis Transformator yang Diamankan Jenis transformator sangat menentukan sistem pengaman yang harus diterapkan. Jenis yang dimaksud di sini adalah transformator daya untuk saluran distribusi. 2.4.2.2 Ukuran Transformator Rating atau kumparan transformator merupakan dasar pertimbangan yang penting dalam perencanaan sistem pengaman. Ukuran transformator biasanya diberikan dalam besaran rating tegangan dan daya, misalnya: 15 kv/ 150 kv dengan daya 100 MVA. Pertimbangan dari segi teknis, misalnya panas dan arus gangguan hubung singkat yang timbul pada transformator. Gangguan itu bisa merupakan hubung singkat antara kumparan maupun kumparan dengan tangki atau penghantar dengan bodi. Hubung singkat tersebut tergantung juga pada rating transformator, baik tegangan, daya maupun reaktansi-reaktansinya. Dilihatdari segi ekonomis, biaya pengamanan tidaklah murah. Oleh karena itu, biaya pengamanan harus sebanding dengan kapasitas transformator yang diamankan.
2.4.2.3 Jenis Pendinginan Ada beberapa jenis pendinginan yang digunakan pada transformator tenaga, antara lain pendingin dengan kipas untuk minyak bersirkulasi secara alamiah atau secara paksa, pendingin dengan air dan sebagainya. Sistem pendingin berfungsi untuk menjaga agar suhu transformator, baik minyak transformator maupun kumparan dapat dikendalikan pada suatu nilai tertentu. Panas yang berlebihan pada transformator akan merusak isolasi kumparan dan bisa mengakibatkan terjadinya hubung singkat. Sistem pendingin yang digunakan pada transformator erat kaitannya dengan pemakaian relai-relai suhu. 2.4.2.4 Lokasi Pemakaian Sistem jaringan tenaga listrik di mana transformator dipasang merupakan faktor yang juga perlu dipertimbangkan. Hal ini terutama berkaitan dengan kemungkinan gangguan yang terjadi pada transformator. Pada daerah-daerah tertentu di mana sering turun hujan yang disertai dengan sambaran petir perlu dilengkapi dengan piranti pengaman lain, seperti pengalih surja/ penangkal petir (arrester). Disamping itu pemakaian pengaman transformator di daerah pedesaan tidak selengkap pemakaian pengaman transformator di perkotaan, karena di perkotaan jaringan listriknya sudah demikian luas dan kompleks sehingga memerlukan selektivitas yang lebih tinggi. 2.4.2.5 Prioritas Pelayanan Untuk transformator yang melayani lokasi-lokasi strategis dan vital, misal rumah sakit, gedung-gedung negara dan sebagainya, diperlukan sistem pengaman yang sangat andal sehingga kemungkinan pemadamannya sangat kecil. 2.4.3 Pengaman Trafo Pengaman pada trafo distribusi, menurut letaknya di bagi menjadi dua yaitu pengaman sisi primer (sekring) dan pengaman sisi sekunder (circuit breaker).
2.4.3.1 Pengaman sisi primer Transformator distribusi dan transformator daya dengan kapasitas kecil, seringkali diberi pengaman arus-lebih dengan memasang sekring pada sisi primernya. Pengaman pada sisi primer (sekring/ fuse) berfungsi untuk: a. Melindungi sistem, dengan memisahkan trafo yang mengalami gangguan sehingga pelanggan listrik yang mendapat pemadaman sangat terbatas. b. Melindungi transformator itu terhadap gangguan internal, hubung singkat dan beban lebih pada sekunder. c. Mengamankan jaringan dan peralatan yang berada di sebelah hilir terhadap gangguan permanen antar phasa dan sebagai back-up pengaman sisi sekunder (circuit breaker). Fuse adalah sebuah alat untuk melindungi sebuah rangkaian listrik terhadap kerusakan yang mungkin timbul karena arus yang mengalirinya terlalu besar, dengan cara membuka rangkaian tersebut melalui meleburnya elemen lebur (fuse element) pada fuse tersebut. Pengaman sisi primer pada trafo satu phasa sering disebut sekring sedang untuk trafo tiga phasa adalah FCO (Fuse Cut Out). FCO sebagai pengaman sisi primer pada trafo 3 phasa dapat dilihat pada gambar 2.6. (a) (b) Gambar 2.6 Trafo 3 phasa (b) dengan FCO (a) sebagai pengaman di sisi primer
2.4.3.2 Pengaman sisi sekunder Pengaman sisi sekunder pada transformator satu phasa diamankan dengan circuit breaker, untuk transformator tiga phasa diamankan dengan LVCB. a. CB (Circuit breaker) Circuit breaker adalah sebuah saklar yang dapat memutuskan rangkaian listrik dalam keadaan tidak normal/ mengamankan rangkaian listrik terhadap arus lebih, baik akibat pembebanan yang berlebih maupun akibat hubung singkat. Circuit breaker mempunyai dua buah pole bimetal (x 1, terminal input dan x 2, terminal output) yang akan mensensor perubahan panas dan arus. Pada trafo distribusi satu phasa transformator dilengkapi dengan lampu indikator dan emergency switch (saklar darurat), lihat gambar 2.7. Lampu indikator akan menyala jika terjadi beban lebih pada salah satu kumparan sekunder trafo (walaupun total kapasitas pemakaian daya belum mencapai kapasitas nominalnya), lampu akan tetap menyala saat beban kembali turun dibawah 100, jika beban terus bertambah akan menggerakkan breaker untuk trip. Emergency switch dapat menaikkan daya trafo 10 hingga 15% dari kapasitas trafo. Lampu indikator Circuit breaker Gambar 2.7 Circuit breaker trafo b. LVCB (Low Voltage Circuit Breaker) LVCB terdiri dari dua komponen, yaitu MCCB (Molded Case Circuit Breaker) dan NT Fuse, yang dipasang secara seri. Yang mana MCCB dihubungkan pada sisi sekunder trafo sebagai pengaman trafo terhadap beban lebih dan arus hubung singkat dan NT Fuse dihubungkan pada sisi beban sebagai
pembatas arus. Contoh MCCB dapat dilihat di gambar 2.8 dan contoh NT Fuse pada gambar 2.9. Gambar 2.8 Macam-macam MCCB (a) (b) Gambar 2.9 Dudukan NT Fuse (a), NT Fuse (b) 2.4.4 Perhitungan Arus Beban Lebih dan Arus Hubung Singkat Untuk trafo satu phasa : 1. Perhitungan arus beban lebih pada trafo, yaitu: I FL =... (2.1) 2. Perhitungan arus hubung singkat pada trafo, yaitu: I hs max =...(2.2) 3. Perhitungan Arus ANSI pada trafo I ANSI = 16,6 x I FL...(2.3) 4. Perhitungan Arus Inrush pada trafo I Inrush = 8 x I FL primer untuk 0,1 detik...(2.4)
Untuk trafo tiga phasa: 1. Perhitungan arus beban lebih pada trafo, yaitu: I FL =... (2.5) 2. Perhitungan arus hubung singkat pada trafo, yaitu: I hs max =...(2.6) 3. Perhitungan Arus ANSI pada trafo I ANSI = 16,6 x I FL...(2.7) 4. Perhitungan Arus Inrush pada trafo I Inrush = 8 x I FL primer untuk 0,1 detik...(2.8)