SINGUDA ENSIKOM VOL. 7 NO. 3/ Juni ANALISIS KETIDAKSEIMBANGAN BEBAN TRANSFORMATOR DISTRIBUSI UNTUK IDENTIFIKASI BEBAN LEBIH DAN ESTIMASI RUGI-RUGI PADA JARINGAN TEGANGAN RENDAH Yoakim Simamora, Panusur S.M.L. Tobing Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155INDONESIA e-mail: akim_jahi@yahoo.com Abstrak Pada dalam sistem 3 fasa, ketidakseimbangan beban transformator sangat sering terjadi. Hal ini merupakan akibat beban listrik yang tidak sama maupun karena banyaknya penambahan beban-beban listrik yang tidak memperhatikan ketidakseimbangan beban sistem. Pada saat perencanaan pembagian beban transformator pada sisi R, S, T pada umumnya dirancang secara seimbang. Akan tetapi pada kenyataan yang terjadi, pembagian bebannya tidak dapat seimbang. Apabila tidak diperhatikan dengan baik, beban listrik yang mengakibatkan ketidakseimbangan beban pada transformator dapat juga menngakibatkan beban lebih pada sistem kelistrikan serta rugi-rugi pada jaringan tegangan rendah. Bila hal ini terjadi kerja transformator menjadi tidak handal. Perhitungan besarnya ketidakseimbangan beban transformator dibutuhkan untuk mengantisipasi terjadinya beban lebih pada transformator akibat penambahanbebanlistrik yang tidak memperhatikan ketidakseimbangan. Tulisan ini bertujuan untuk menganalisis ketidakseimbangan bebantransformator distribusi untuk identifikasi beban lebihdan dapat juga mengetahui besarnya rugi-rugi pada jaringan tegangan rendah akibat arus netral, setelah dilakukan perhitungan dan simulasi diperoleh persentase pembebanan tertinggi sebesar 127,02% pada transformator ML 227, dan rugi-rugi jaringan tegangan rendah adalah sebesar 1,0 kw dan 13,0 kvar pada transformator ML059, serta ada 3 transformator yang di identifikasi berbeban lebih yaitu ML059, ML 354, dan ML425. Kata Kunci: Transformator Distribusi, Ketidakseimbangan Beban, Rugi-Rugi 1. Pendahuluan Pada zaman sekarang ini salah satu sumber tenaga yang paling diperlukan adalah tenaga listrik. Tenaga listrik pada saat ini menjadi salah satu dari kebutuhan pokok manusia. Dan juga semakin berkembangnya teknologi yang menggunakan tenaga listrik maka secara tidak langsung manusia tergantung terhadap tenaga listrik, baik untuk rumah tangga maupun untuk industri. Jadi manusia memerlukan tenaga listrik baik untuk kebutuhan sehari-hari maupun untuk bekerja. Di dalam suatu industri tentunya sangat bergantung pada kehandalan dan efisiensi sistem kelistrikan pada industri tersebut. Salah satu persyaratan keandalan sistem penyaluran tenaga listrik yang harus dipenuhi untuk pelayanan kepada konsumen adalah kualitas tegangan yang baik dan stabil, karena meskipun kelangsungan catu daya dapat diandalkan, namun belum mungkin untuk mempertahankan tegangan tetap pada sistem distribusi karena tegangan jatuh akan terjadi di semua bagian sistem dan akan berubah dengan adanya perubahan beban. Dalam menjaga stabilitas sistem tenaga listrik, kualitas daya merupakan hal yang penting. Untuk menjaga stabilitas tersebut perlu diperhatikan pembebanan pada transformator distribusi. Dimana dalam analisa pembebanan tersebut bertujuan untuk mengidentifikasi beban lebih akibat beban tidak seimbang. Transformator pada umumnya banyak dipergunakan untuk sistem tenaga listrik maupun rangkaian elektronik. Dalam sistem tenaga listrik, trafo dipergunakan untuk memindahkan energi dari satu rangkaian listrik ke rangkaian listrik berikutnya tanpa merubah frekuensi. Biasanya dapat menaikkan atau menurunkan tegangan maupun arus, sehingga memungkinkan transmisi ekstra tinggi, pemakaian pada sistem dapat dibagi menjadi 3 yaitu, Trafo penaik tegangan (step up) atau disebut trafo daya, utuk menaikkan tegangan pembangkit menjadi tegangan transmisi, trafo penurun tegangan (step down), dapat disebut copyright DTE FT USU 137
SINGUDA ENSIKOM VOL. 7 NO. 3/ Juni trafo distribusi, untuk menurun tegangan transmisi menjadi tegangan distribusi, trafo instrument, untuk pengukuran yang terdiri dari trafo tegangan dan trafo arus, dipakai menurunkan tegangan dan arus agar dapat masuk ke meter-meter pengukuran. Trafo pada sistem tenaga untuk kapasitas yang besar dapat dihubungkan 3 fasa dan untuk kapasitas yang kecil dapat dihubungkan 1 fasa. Dalam rangkaian elektronik trafo dipergunakan sebagai gandengan impedansi antara sumber dan beban, memisahkan satu rangkaian dari rangkaian lain[1]. 2. Prinsip Kerja Transformator Transformator terdiri atas dua buah kumparan (primer dan sekunder) yang bersifat induktif. Kedua kumparan ini terpisah secara elektris namun berhubungan secara magnetis melalui jalur yang memiliki reluktansi rendah. Apabila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik maka fluks bolakbalik akan muncul di dalam inti yang dilaminasi, karena kumparan tersebut membentuk rangkaian tertutup maka mengalirlah arus primer. Akibat adanya fluks di kumparan primer maka di kumparan primer terjadi induksi (self induction) dan terjadi pula induksi di kumparan sekunder karena pengaruh induksi dari kumparan primer atau disebut sebagai induksi bersama yang menyebabkan timbulnya fluks magnet di kumparan sekunder, maka mengalirlah arus sekunder jika rangkaian sekunder di bebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetisasi) e (-) N Dimana ; (Volt) (1) e gaya gerak listrik N Jumlah lilitan (turn) perubahan fluks magnet (weber/sec) Perlu diingat bahwa hanya tegangan listrik arus bolak-balik yang dapat ditransformasikan oleh transformator, sedangkan dalam bidang elektronika, transformator digunakan sebagai gandengan impedansi antara sumber dan beban untuk menghambat arus searah sambil tetap melakukan arus bolak-balik rangkaian. Tujuan utama menggunakan inti pada transformator adalah untuk mengurangi reluktansi (tahanan magnetis) dari rangkaian magnetis [2]. 3. Transformator Distribusi Transformator distribusi merupakan alat yang memegang peran penting dalam sistem distribusi. Transformator distribusi mengubah tegangan menengah menjadi tegangan rendah.transformator distribusi yang umum digunakan adalah transformator step-down 20KV/400V. Tegangan fasa ke fasa sistem jaringan tegangan rendah adalah 380V. Karena terjadi drop tegangan, maka pada rak tegangan rendah dibuat di atas 380V agar tegangan pada ujung penerima tidak lebih kecil dari 380V. Pada kumparan primer akan mengalir arus jika kumparan primer dihubungkan ke sumber tegangan bolak-balik, sehingga pada inti tansformator yang terbuat dari bahan ferromagnet akan terbentuk sejumlah garis-garis gaya magnet (fluks Ф). Karena arus yang mengalir merupakan arus bolak-balik, maka fluks yang terbentuk pada inti akan mempunyai arah dan jumlah yang berubah-ubah. Jika arus yang mengalir berbentuk sinusoidal, maka fluks yang terjadi akan berbentuk sinusoidal pula. Karena fluks tersebut mengalir melalui inti yang mana pada inti tersebut terdapat belitan primer dan sekunder, maka pada belitan primer dan sekunder tersebut akan timbul ggl (gaya gerak listrik) induksi, tetapi arah ggl induksi primer berlawanan dengan arah ggl induksi sekunder. Sedangkan frekuensi masing-masing tegangan sama dengan frekuensi sumbernya[3]. 4. Arus Netral Akibat Beban Tidak Untuk arus tiga fasa dari suatu sistem yang tidak seimbang dapat juga diselesaikan dengan metode komponen simetris. Dengan menggunakan notasi-notasi yang sama seperti pada tegangan akan didapatkan persamaan untuk arus fasanya : I I + I + I (2) I a I + ai + I (3) I ai + a I + I (4) Dengan tiga langkah yang dijabarkan dalam menentukan tegangan urutan positif, urutan negatif, dan urutan nol terlebih dahulu, maka arus-arus urutan juga dapat ditentukan dengan cara yang sama, sehingga didapatkan juga : I ( I + ai + a I ) (5) I (I + a I + ai ) (6) I (I + I + I ) (7) Disini terlihat bahwa arus urutan nol adalah sepertiga dari arus netral atau arus baliknya akan copyright DTE FT USU 138
SINGUDA ENSIKOM VOL. 7 NO. 3/ Juni menjadi nol jika dalam sistem tiga fasa empat kawat. Dalam sistem tiga fasa empat kawat ini jumlah arus sama dengan arus netral yang kembali lewat kawat netral, jadi : I + I + I I (8) Dengan mensubsitusikan persamaan (7) ke (8) maka diperoleh [4]. I 3 I (9) 5. Ketidakseimbangan Beban Pengertian Beban Tidak, yang dimaksud dengan keadaan seimbang adalah suatu keadaan dimana : 1. Ketiga vektor arus/tegangan adalah sama besar. 2. Ketiga vektor saling membentuk sudut 120 satu sama lain seperti pada Gambar 1. Gambar 2. Vektor Diagram Arus Keadaan Tidak Dari Gambar 2 menunjukkan vektor diagram arus dalam keadaan tidak seimbang. Disini terlihat bahwa penjumlahan ketiga vektor arusnya (I R I S I T ) adalah tidak sama dengan nol sehingga muncul suatu besaran yaitu arus netral (I T ) yang besarnya bergantung pada seberapa besar factor ketidakseimbangannya[5]. 6. Penyaluran Daya Pada Keadaan Arus Gambar 1. Vektor Diagram Arus Keadaan Dari Gambar 1 menunjukkan vektor diagram dalam keadaan seimbang. Disini terlihat bahwa penjumlahan ketiga vektor arusnya (I I I ) adalah sama dengan nol sehingga tidak muncul arus netral. Sedangkan yang dimaksud dengan keadaan tidak seimbang adalah keadaan dimana salah satu atau kedua syarat keadaan seimbang tidak terpenuhi kemungkinan keadaan tidak seimbang ada tiga yaitu : 1. Ketiga vektor sama besar tetapi tidak membentuk sudut 120 satu sama lain. 2. Ketiga vektor tidak sama besar tetapi membetuk sudut 120 satu sama lain. 3. Ketiga vektor tidak sama besar dan tidak membentuk sudut 120 satu sama lain. Seperti yang terlihat pada Gambar 2. Misalkan daya sebesar P disalurkan melalui suatu saluran dengan penghantar netral. Apabila pada penyaluran dayaini arus-arus fasa dalam keadaan seimbang, maka besarnya daya dapat dinyatakan: P3.[V][I]Cos φ (10) Daya yang sampai pada ujung terima akan lebih kecil dari P karena terjadi penyusutan dalam saluran. Penyusutan dayaini dapat diterangkan dengan menggunakan diagram fasor tegangan saluran model fasa tunggal seperti terlihat pada Gambar 3. Gambar 3. Diagram Fasor Tegangan Saluran Daya Model Fasa Tunggal Model ini dibuat dengan asumsi arus pemuatankapasitif pada saluran cukup kecil sehingga dapat diabaikan.dengan demikian besarnya arus diujung kirim sama dengan arus copyright DTE FT USU 139
SINGUDA ENSIKOM VOL. 7 NO. 3/ Juni diujung terima. Apabila tegangan dan faktor faktor daya pada ujung terima berturut-turut adalah V dan φ,maka besarnya daya pada ujung terima adalah: P 3[V ][I]Cosφ (11) Selisih antara P pada persamaan (10) dan P pada persamaan (11) memberikan susut daya saluran,yaitu: Pl P P (12) 3.[I]Cos φ - 3 [V ] [I] Cos φ (13) 3 [I]{ [V]Cos φ- 3[V ][I]Cosφ } (14) Sementara itu dari Gambar 3: {[V]Cosφ - 3 [V ][I]Cosφ } [I] R (15) Dengan R adalah tahanan kawat penghantar tiap fasa.oleh karena itu persamaan (15) berubah menjadi[4]: Pl3[I] 2 R (16) 7. Penyaluran Daya Pada Keadaan Arus Tidak Jika I adalah besaran arus fasa dalam penyaluran daya sebesar P pada keadaan seimbang, maka pada penyaluran daya yang sama tetapi tidak seimbang besarnya arus-arus fasa dapat dinyatakan dengan koefsien a, b dan c adalah sebagai berikut: [I R ] a [I] (17) [I S ] b [I] (18) [I T ] c [I] (19) Dengan I R, I S, dan I T berturut-turut adalah arus fasa R, S dan T. telah disebutkan diatas bahwa factor daya ketiga fasa dianggap sama walaupun besarnya arus berbeda. Dengan anggapan seperti ini, besarnya daya yang disalurkan dapat dinyatakan sebagai [4]: P 3 (a + b + c) [I] cosφ(20) Apabila persamaan (14) dan persamaan I N 3I ao menyatakan daya yang besarnya sama, maka dari kedua persamaan tersebut dapat diperoleh persyratan koefisien a,b, dan c adalah a + b + c 3 (21) 8. Rugi-Rugi Pada Sistem Distribusi Rugi-rugi daya listrik pada sistem distribusi dipengaruhi beberapa faktor yang antara lain faktor konfigurasi dari sistem jaringan distribusi, transformator, kapasitor, isolasi dan rugi rugi daya listrik dikategorikan dua bagian yaitu rugirugi daya aktif dan daya reaktif seperti Persamaan (22). S P ± jq (VA) (22) Dimana : P Rugi-rugi daya aktif (watt) Q Rugi-rugi daya reaktif (VAR) S Daya semu (VA) Rugi-rugi daya listrik tersebut di atas (VA) akan mempengaruhi tegangan kerja sistem dan besarnya rugi-rugi daya dinyatakankan dengan:[4] (23) (24) P loss n br i n br Q koss i 1 1 I 2 i. r i I 2 i. x i 9. Analisis Ketidakseimbangan Beban Transformator Distribusi untuk Identifikasi Beban Lebih Data arus yang telah didapat baik dari hasil pengamatan maupun pengukuran kemudian dikumpulkan lalu direkap pada Tabel 1 untuk mempermudah perhitungan dan analisa. Tabel 1. Data Pembebanan Transformator Distribusi 200 kva (ML059) Pada Siang Hari LWBP JURUSAN (Siang Hari) TIMUR 1 BARAT TIMUR 2 R (Amp) 25 109 106 S (Amp) 28 66 151 T (Amp) 25 68 168 Data arus yang telah didapat baik dari hasil pengamatan maupun pengukuran kemudian dikumpulkan lalu direkap pada Tabel 2 untuk mempermudah perhitungan dan analisa. Tabel 2. Data Pembebanan Transformator Distribusi 200 kva (ML059) Pada Malam Hari WBP JURUSAN (Malam Hari) TIMUR 1 BARAT TIMUR 2 R (Amp) 25 165 84 S (Amp) 32 83 191 T (Amp) 49 119 167 copyright DTE FT USU 140
SINGUDA ENSIKOM VOL. 7 NO. 3/ Juni 9.1 Menentukan Persentase Pembebanan Trafo Distribusi Sebelum dilakukan perhitungan persentase pembebanan terlebih dahulu dihitung besar arus beban penuh sesuai kapasitas transformator distribusi, Diketahui : S (Daya Semu) 200 kva V 400 V I (I ) 243,09 A Trafo Distribusi 200 kva (ML059) Pengukuran Siang Hari : I R 240 A I S 245 A I T 261 A Persentase pembebanannya adalah I% x 100% a. x 100% 78,98% b. c.,,, x 100% 80,62% x 100% 85,89% Jadi rata-rata pembebanannya adalah,%,%,% 81,83% Pengukuran Malam Hari : I R 274 A I S 306 A I T 335 A Persentase pembebanannya adalah I% x 100% a. x 100% 90,17% b. c.,,, x 100% 100,7% x 100% 110,24% Jadi rata-rata pembebanannya adalah,%,%,% 100,37% 9.2 Analisa Ketidakseimbangan Beban Pada Trafo Distribusi Sebelum dilakukan perhitungan ketidakseimbangan beban terlebih dahulu dihitung arus rata-ratab trafo distribusi sesuai dengan waktu pengamatan masing-masing. Trafo Distribusi 200 kva (ML059) 1. Pengukuran Siang Hari I R 240 A I S 245 A I T 261 A Dari data pengukuran dapat dicari arus rata-rata yaitu : I rata-rata I rata-rata 248,66 Dengan demikian koefsien a, b dan c diperoleh sebagai berikut: a, 0,96 b 0,98, c 1,04, Pada keadaan seimbang, besarnya koefsien a, b dan c adalah 1, dengan demikian rata-rata ketidakseimbangan beban (%) adalah { } x 100% {,,, } x 100% 3,3% 2. Pengukuran Malam Hari I R 274 A I S 306 A I T 335 A Dari data pengukuran dapat dicari arus rata-rata yaitu : I rata-rata I rata-rata 305 Dengan demikian koefsien a, b dan c diperoleh sebagai berikut: a 0,89 b 1,00 c 1,10 Pada keadaan seimbang, besarnya koefsien a, b dan c adalah 1, dengan demikian rata-rata ketidakseimbangan beban (%) adalah { } x 100% {,,, } x 100% 7% 9.3 Identifikasi Adanya Beban Lebih copyright DTE FT USU 141
SINGUDA ENSIKOM VOL. 7 NO. 3/ Juni Untuk mengidentifikasi adanya beban lebih pada tiap-tiap phasa trafo distribusi maka harus dibandingkan dengan arus nominal dari trafo dengan arus perphasanya. Untuk menghitung arus nominal. Trafo dengan daya 200 kva, arus nominalnya S 3.V.In S Daya Semu V Tegangan phasa-phasa Maka ; 200.000 3.380.In In, 303,86 Amp Setelah diperoleh nilai arus nominal maka penulis membandingkannya dengan arus tiaptiap phasa pada trafo distribusi. Apabila arus perphasa lebih besar daripada 80% dari nilai arus nominal, maka telah terjadi beban lebih pada phasa tersebut. Tabel 3 Tabel Identifikasi Beban Lebih Trafo Distribusi Arus Arus No Trafo R S T Nominal 80% Ket I R >I n 1 ML059 274 306 335 243,09 I S >I n I T >I n 1 ML354 196 198 240 194,47 I R >I n I S >I n I T >I n 2 ML425 139 145 171 121,54 I R >I n I S >I n I T >I n Dari Tabel 3 dapat dilihat besar masingmasing arus fasa lebih besar dari arus nominal sehingga terjadi beban lebih pada transformator distribusi ML059, ML354, ML 425. 9.4 Analisa Rugi-Rugi Pada Jaringan Tegangan Rendah Setelah menganalisa adanya beban lebih pada trafo, maka penulis menganalisa besarnya rugi-rugi pada jaringan tegangan rendah dengan menggunakan. Untuk menganalisa besarnya rugi-rugi pada jaringan tegangan rendah penulis menggunakan program ETAP 4.0. Setelah mengetahui adanya beban lebih pada trafo ML059, maka dilakukan simulasi menggunakan program ETAP 4.0. Tabel 4 menunjukan rugi-rugi pada trafo ML059. Tabel 4 Hasil Simulasi Pada Trafo ML059 TRAFO DAYA LOSSES (KVA) LWBP WBP ML059 200 kw kvar kw kvar 1,0 9,0 1,0 13,0 Dari hasil simulasi dapat dilihat pada Tabel 4, diperoleh rugi-rugi jaringan tegangan rendah transformator ML059 luar waktu beban puncak sebesar 1,0 kw dan9,0 kvar serta waktu beban puncak 1,0 kw dan 13 kvar Kesimpulan Dari hasil perhitungan dan simulasi maka kesimpulannya adalah sebagai berikut: 1. Persentase pembebanan tertinggi adalah transformator 100 kva (ML227) pada malam hari yaitu sebesar 127,02% 2. Dari Hasil Identifikasi Beban Lebih, ada 3 transformator distribusi berbeban lebih sepanjang penyulang atau feder KI 02 yaitu transformator ML 059, ML354, dan ML425. 3. Semakin besar ketidakseimbangan beban suatu trafo, maka trafo tersebut akan mengalami beban lebih (over load) satu phasa, Hal ini di karenakan semakin besarnya arus yang mengalir pada salah satu phasa pada trafo tersebut. 4. Berdasarkam hasil simulasi ETAP 4.0 rugirigi jaringan tegangan rendah pada penyulang yang paling besar adalah pada trafo ML059 yaitu sebesar 1,0 kw dan 13,0 kvar. Referensi [1]. Berahim, Hamzah., Pengantar Teknik Tenaga Listrik, Yogyakarta : Andi, 1991. [2]. Zuhal, Dasar Tenaga Listrik, Bandung : ITB Bandung, 1991. [3]. Rijono, Yon., Dasar Teknik Tenaga Listrik, Yogyakarta : Andi, 2004. [4]. Gonen, Turan, Modern Power Sistem, JohnWiley and Sons, Inc., Canada.1988. copyright DTE FT USU 142