BAB II GARDU TRAFO DISTRIBUSI II.1 Umum Gardu trafo distribusiberlokasi dekat dengan konsumen. Transformator dipasang pada tiang listrik dan menyatu dengan jaringan listrik. Untuk mengamankan transformator dan sistemnya, gardu dilengkapi dengan unit-unit pengaman. Karena tegangan yang masih tinggi belum dapat digunakan untuk mencatu beban secara langsung, kecuali pada beban yang didisain khusus, maka digunakan transformator penurun tegangan ( step down) yang berfungsi untuk menurunkan tegangan menengah 20kV ke tegangan rendah 400/230Volt. Gardu trafo distribusi ini terdiri dari dua sisi, yaitu : sisi primer dan sisi sekunder. Sisi primer merupakan saluran yang akan mensuplay ke bagian sisi sekunder. Unit peralatan yang termasuk sisi primer adalah : a. Saluran sambungan dari SUTM ke unit transformator (primer trafo). b. Fuse cut out. c. Ligthning arrester. Gardu trafo distribusi ditunjukkan pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Gardu Trafo Distribusi II.2 Transformator Distribusi Tujuan dari penggunaan transformator distribusi adalah untuk mengurangi tegangan utama dari sistem distribusi listrik untuk tegangan pemanfaatan penggunaan konsumen.transformator distribusi yang umum digunakan adalah transformator step-down 20kV/400V. Tegangan fasa ke fasa sistem jaringan tegangan rendah adalah 380 V. Karena terjadi drop tegangan, maka pada tegangan rendahnya dibuat diatas 380V agar tegangan pada ujung penerima tidak lebih kecil dari 380V. Sebuah transformator distribusi perangkat statis yang dibangun dengan dua atau lebih gulungan digunakan untuk mentransfer daya listrik arus bolak-balik oleh induksi elektromagnetik dari satu sirkuit ke yang lain pada
frekuensi yang sama tetapi dengan nilai-nilai yang berbeda tegangan dan arusnya. Transformator distribusi yang terpasang pada tiang dapat dikategorikan menjadi : Conventional transformers Completely self-protecting ( CSP ) transformers Completely self-protecting for secondary banking ( CSPB ) transformers Conventional transformers tidak memiliki peralatan proteksi terintegrasi terhadap petir,gangguan dan beban lebih sebagai bagian dari trafo. Oleh karena itu dibutuhkan fuse cutout untuk menghubungkan conventional transformers dengan jaringan distribusi primer. Lightning arrester juga perlu ditambahkan untuk trafo jenis ini. Completely self-protecting ( CSP ) transformers memiliki peralatan proteksi terintegrasi terhadap petir, baban lebih, dan hubung singkat. Lightning arrester terpasang langsung pada tangki trafo sebagai proteksi terhadap petir. Untuk proteksi terhadap beban lebih, digunakan fuse yang dipasang di dalam tangki. Fuse ini disebut weak link. Proteksi trafo terhadap gangguan internal menggunakan hubungan proteksi internal yang dipasang antara beliran primer dengan bushing primer. Completely self-protecting for secondary banking ( CSPB ) transformers mirip dengan CSP transformers, tetapi pada trafo jenis ini terdapat sebuah circuit breaker pada sisi sekunder, circuit breaker ini akan membuka sebelum weak link melebur.
II.2.1 Konstruksi Transformator Transformator merupakan alat listrik statis yang digunakan untuk memindahkan daya dari satu rangkaian ke rangkaian yang lain dengan mengubah tegangan, tanpa mengubah daya dan frekuensi. Transformator terdiri dari dua kumparan yang saling berinduksi ( mutual inductance ). Kumparan ini terdiri dari lilitan konduktor berisolasi sehingga kedua kumparan tersebut terisolasi secara elektrik antara yang satu dengan yang lain. Ratio perubahan tegangan tergantung dari ratio perbandingan jumlah lilitan kedua kumparan itu. Kumparan yang menerima daya listrik disebut kumparan primer sedangkan kumparan yang terhubung ke beban disebut kumparan sekunder. Kedua kumparan itu dililitkan pada suatu inti yang terbuat dari laminasi lembaran baja yang kemudian dimasukkan ke dalam tangki berisi minyak trafo. Apabila kumparan primer dialiri arus listrik bolak balik, maka akan timbul fluks magnetik bolak balik sepanjang inti yang akan menginduksi kumparan sekunder sehingga kumparan sekunder akan menghasilkan tegangan. Konstruksi dasar transformator ditunjukkan pada Gambar 2.2. Gambar 2.2 Konstruksi Dasar Transformator
Apabila trafo diasumsi sebagai trafo ideal dimana tidak terjadi rugi-rugi daya pada trafo, maka daya pada kumparan primer (P 1 ) sama dengan daya pada kumparan sekunder (P 2 ). Besar tegangan dan arus pada kumparan sekunder diatur menggunakan perbandingan banyaknya lilitan antara kumparan primer dan kumparan sekunder berdasarkan rumus : N N p s V p s... (2.1) V s I I p dimana : Np Ns Vp Vs Ip Is = Banyaknya lilitan kumparan sisi primer = Banyaknya lilitan kumparan sisi sekunder = Tegangan sisi primer (V) = Tegangan sisi sekunder (V) = Arus sisi primer (Amp) = Arus sisi sekunder (Amp) II.2.2 Prinsip Kerja Transformator Transformator miliki dua kumparan yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder, dan kedua kumparan ini bersifat induktif. Kedua kumparan ini terpisah secara elektris namun berhubungan secara magnetis melalui jalur yang memiliki reluktansi ( reluctance ) rendah. Apabila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik maka fluks bolak-balik akan muncul di dalam inti yang dilaminasi, karena kumparan tersebut membentuk jaringan 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 ( mutual induction ) yang menyebabkan timbulnya fluksmagnet di kumparan sekunder, maka mengalirlah arus sekunder jika rangkaian sekunder dibebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan. d e ( ) N (Volt)... (2.2) dt dimana : e N d dt = Gaya gerak listrik (Volt) = Banyaknya lilitan = Perubahan fluks magnetik (weber/sec) Tujuan utama menggunakan inti pada transformator adalah untuk mengurangi reluktansi (tahanan magnetis) dari rangkaian magnetis (common magnetic circuit). II.2.3 Inti Transformator Secara umum inti transformator dibedakan menjadi dua jenis, yaitu tipe inti (core type), dan tipe cangkang (shell type). Tipe inti dibentuk dari lapisan besi berisolasi berbentuk persegi panjang dan kumparan transformatornya dibelitkan pada dua sisi persegi. Sedangkan tipe cangkang dibentuk dari lapisan inti berisolasi dan kumparan transformatornya di belitkan di pusat inti. Transformator dengan tipe konstruksi shell memiliki kehandalan yang lebih tinggi dari pada tipe konstruksi core dalam menghadapi tekanan mekanis yang kuat pada saat terjadi hubung singkat. Kedua tipe inti transformator ini ditunjukkan pada Gambar 2.3.
(a) Tipe Inti (b) Tipe Cangkang Gambar 2.3Inti Transformator II.2.4 Minyak Transformator Minyak transformator memegang peranan penting dalam sistem isolasi trafo dan juga berfungsi sebagai pendingin untuk menghilangkan panas akibat rugi-rugi daya pada trafo. Kandungan utama minyak trafo adalah naftalin, parafin dan aromatik. Keuntungan minyak trafo sebagai isolator dalam trafo adalah : Isolasi cair memiliki kerapatan 1000 kali atau lebih dibandingkan dengan isolasi gas, sehingga memiliki kekuatan dielektrik yang lebih tinggi. Isolasi cairakan mengisicelah atau ruang yang akan diisolasi dan secara serentak melalui proses konversi menghilangkan panas yang timbul akibat rugi daya. Isolasi cair cenderung dapat memperbaiki diri sendiri (self healing) jika terjadi pelepasan muatan (discharge). Kekuatan dielektrikadalah ukuran kemampuan elektrik suatu material sebagai isolator. Kekuatan dielektrik didefenisikan sebagai tegangan maksimum yang dibutuhkan untuk mengakibatkan dielectric breakdown pada material yang dinyatakan dalam satuan Volt/m. Semakin tinggi kekuatan dielektrik minyak trafo, maka semakin bagus kualitas minyak tersebut sebagai isolator. Hasil uji kekuatan dielektrikyang rendah, menunjukkan adanya benda-benda pengotor minyak seperti air atau partikel penghantar dalam minyak. Sebaliknya, apabila
hasil uji kekuatan dielektrik tinggi, bukan berarti bahwa tidak terjadi pengotoran dalam minyak tersebut. Untuk mencegah kemungkinan timbulnya kebakaran pada peralatan, perlu dipilih minyak dengan titik nyala yang tinggi. Titik nyala minyak baru tidak boleh lebih kecil dari 135 C, sedangkan untuk minyak bekas tidak boleh kurang dari 130 C. Menurut SNI 04-6954.2-2004 batas kenaikan suhu minyak bagian atas yang diperbolehkan adalah 60 K pada suhu lingkungan sekitar normal ( 25 C sampai 40 C ). II.2.5 Bushing Transformator Untuk tujuan keamanan, konduktor tegangan tinggi dilewatkan menerobos suatu bidang yang dibumikan melalui suatu lubang terbuka yang dibuat sekecil mungkin dan biasanya membutuhkan suatu pengikat padu yang disebut bushing.konstruksi suatu bushing sederhana ditunjukkan pada Gambar 2.4. Gambar2.4Konstruksi Suatu Bushing Sederhana Bagian utama suatubushingterdiri dari inti atau konduktor, bahan dielektrik dan flans yang terbuat dari logam. Inti berfungsi untuk menyalurkan arus dari bagian dalam peralatan ke terminal luar dan bekerja pada tegangan tinggi. Dengan bantuan flans, isolator diikatkan pada badan peralatan yang
dibumikan. II.2.6 Sistem Pendingin Transformator Sistem pendinginan trafo dapat dikelompokkan sebagai berikut : 1. ONAN ( Oil Natural Air Natural ) Sistem pendingin ini menggunakan sirkulasi minyak dan sirkulasi udara secara alamiah. Sirkulasi minyak yang terjadi disebabkan oleh perbedaan berat jenis antara minyak yang dingin dengan minyak yang panas. 2. ONAF ( Oil Natural Air Force ) Sistem pendingin ini menggunakan sirkulasi minyak secara alami sedangkan sirkulasi udaranya secara buatan, yaitu dengan menggunakan hembusan kipas angin yang digerakkan oleh motor listrik. Pada umumnya operasi trafo dimulai dengan ONAN atau dengan ONAF tetapi hanya sebagian kipas angin yang berputar. Apabila suhu trafo sudah semakin meningkat, maka kipas angin yang lainnya akan berputar secara bertahap. 3. OFAF ( Oil Force Air Force ) Pada sistem ini, sirkulasi minyak digerakkan dengan menggunakan kekuatan pompa, sedangkan sirkulasi udara mengunakan kipas angin. II.3 Gangguan Pada Gardu Trafo Distribusi II.3.1 Gangguan Sambaran Petir Gangguan sambaran petir dibagi atas dua, yaitu sambaran langsung dan
sambaran tidak langsung. Sambaran langsung adalah sambaran petir dari awan yang langsung menyambar jaringan sehingga menyebabkan naiknya tegangan dengan cepat. Daerah yang terkena sambaran dapat terjadi pada tower dan juga kawat penghantar. Besarnya tegangan dan arus akibat sambaran ini tergantung pada besar arus kilat, waktu muka, dan jenis tiang saluran. Sambaran tidak langsung atau sambaran induksi adalah sambaran petir ke bumi atau sambaran petir dari awan ke awan di dekat saluran sehingga menyebabkan timbulnya muatan induksi pada jaringan. Pada saluran udara tegangan menengah (SUTM), gangguan akibat sambaran tidak langsung ini tidak boleh diabaikan. Gangguan akibat sambaran tidak langsung ini pada umumnya lebih banyak terjadi dibandingkan akibat sambaran langsung, dikarenakan luasnya daerah sambaran induksi. Spesifikasi gelombang petir ditunjukkan pada Gambar 2.5. Gambar 2.5 Spesifikasi Gelombang Petir Spesifikasi dari suatu gelombang petir : a) Puncak (crest) gelombang, E (kv), yaitu amplitudo maksimum dari
gelombang. b) Muka (front) gelombang, t 1 (mikrodetik), yaitu waktu dari permulaan sampai puncak. Ini diambil dari 10% E sampai 90% E. c) Ekor (tril) gelombang, yaitu bagian belakang puncak. Panjang gelombang, t 2 (mikrodetik), yaitu waktu dari permulaan sampai titik 50% E pada ekor gelombang. II.3.2 Gangguan Hubung Singkat Hubung singkat dapat terjadi melalui dua atau tiga saluran fasa sistem distribusi. Arus lebih yang dihasilkan hubung singkat tergantung pada besar kapasitas daya penyulang, besar tegangan, dan besar impedansi rangkaian yang mengalami gangguan. Hubung singkat menghasilkan panas yang cukup tinggi pada sisi primer trafo sebagai akibat dari naiknya rugi-rugi tembaga sebagai perbandingan dari kuadrat arus gangguan. Arus gangguan yang besar ini mengakibatkan tekanan mekanik (mechanical stress) yang tinggi pada trafo. Arus hubung singkat pada trafo dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : S.100 I sc... (2.3) % Z. 3. V dimana : S = Daya trafo (kva) %Z = Impedansi trafo dalam persen V = Tegangan fasa-fasa pada sisi tegangan rendah (kv)
Dari rumus I f.3 VL N A.... (2.4) Z 1 I f. L j 3. VL N L A... (2.5) 2. Z 1 maka dapat diperoleh 3 I f. L L I f. 3 A... (2.6) 2 I A (2.7) f. L L 0. 866 I f. 3 dimana, I f 3 = Arus gangguan 3 fasa (A) I f. L L = Arus gangguan fasa ke fasa (A) V = Tegangan fasa ke netral (V) L N Z 1 = Impedansi total urutan positif (Ω) Arus beban penuh dapat diketahui dengan menggunakan persamaan : I FL S 3. V... (2.8) dimana, S V = Daya trafo 3 fasa (VA) = Tegangan fasa-fasa pada sisi tegangan rendah (V) II.3.3 Gangguan Kegagalan Minyak Transformator Kegagalan isolasi (insulation breakdown) minyak trafo disebabkan oleh beberapa hal antara lain minyak trafo tersebut sudah lama dipakai, berkurangnya
kekuatan dielektrik dankarena isolasi tersebut dikenakan tegangan lebih. Pada prinsipnya tegangan pada isolator merupakan suatu tarikan atau tekanan (stress) yang harus dilawan oleh gaya dalam isolator itu sendiri agar isolator tersebut tidak gagal. Dalam struktur molekul material isolator, elektron-elektron terikat erat pada molekulnya, dan ikatan ini mengadakan perlawanan terhadap tekanan yang disebabkan oleh adanya tegangan. Bila ikatan ini putus pada suatu tempat maka sifat isolasi pada tempat itu akan hilang. Bila pada bahan isolasi tersebut diberikan tegangan akan terjadi perpindahan elektron-elektron dari suatu molekul ke molekul lainnya sehingga timbul arus konduksi atau arus bocor. Karakteristik isolator akan berubah bila material kemasukan suatu ketidakmurnian (impurity) seperti adanya arang atau kelembaban dalam isolasi yang dapat menurunkan tegangan tembus. Oksigen yang terdapat di udara yang berhubungan dengan minyak yang panas dapat mengakibatkan terjadinya oksidasi dan terbentuknya bahan asam dan endapan. Kadar asam yang terdapat pada minyak trafo merupakan suatu ukuran taraf deteriorasi dan kecenderungan untuk membentuk endapan. Endapan ini sangat mengganggu karena melekat pada semua permukaan trafo dan mempersulit proses pendinginan. Endapan ini juga akan meningkatkan kemungkinan terjadinya bunga api antara bagian-bagian trafo yang terbuka. Suatu endapan setelah mencapai tebal 0,2 mm sampai 0,4 mm pada inti dan kumparan akan dapat meningkatkan suhu sampai 10 C sampai 15 C. Bila dalam minyak terdapat kelembaban, maka kelembaban tersebut dapat membentuk jalur-jalur yang membuka jalan terhadap terjadinya hubung singkat. Kelembaban tidak saja menurunkan daya isolasi minyak, melainkan kelembaban
itu dapat pula diserap oleh bahan isolasi lainnya, sehingga seluruh trafo menjadi terancam. II.4 Proteksi Pada Gardu Trafo Distribusi II.4.1 Fuse Fuse adalah peralatan proteksi arus lebih yang bekerja dengan menggunakan prinsip melebur. Terdapat dua tipe fuse berdasarkan kecepatan melebur elemen fusenya (fuse link), yaitu tipe K (cepat) dan tipe T (lambat). Fuse yang didesain untuk digunakan pada tegangan diatas 600V dikategorikan sebagai fuse cutout. Fuse cutoutjenis ekspulsi (expulsion type) adalah jenis yang paling sering digunakan pada sistem distribusi saluran udara. Fuse jenis inimenggunakan elemen fuse yang relatif pendek yang dipasang di dalam fuse catridge. Pada umumnya fuse cutout dipasang antara trafo distribusi dengan saluran distribusi primer. Pada saat terjadi gangguan, elemen fuse akan melebur dan memutuskan rangkaian sehingga akan melindungi trafo distribusi dari kerusakan akibat gangguan dan arus lebih pada saluran primer, atau sebaliknya memutuskan saluran primer dari trafo distribusi apabila terjadi gangguan pada trafo atau jaringan sisi sekunder sehingga akan mencegah terjadinya pemadaman pada seluruh jaringan primer. II.4.2 Lightning Arrester Penggunaan lightning arrester pada sistem distribusi adalah untuk melindungi peralatan dari gangguan akibat sambaran petir. Arrester juga
dipergunakan untuk melindungi saluran distribusi dari flashover. Arrester dipasang pada peralatan yang dihubungkan dari fasa konduktor ke tanah. Agar perlindungan saluran menjadi lebih efektif, arrester harus dipasang pada setiap fasa pada tiap tiang. Pada saat sistem bekerja keadaan normal, arrester memiliki sifat sebagai isolator. Apabila terjadi sambaran petir, arrester akan berubah menjadi konduktor dan membuat jalan pintas (bypass) ke tanah yang mudah dilalui oleh arus petir, sehingga tidak menimbulkan tegangan lebih yang tinggi pada trafo. Jalur ke tanah tersebut harus sedemikian rupa sehingga tidak akan mengganggu aliran daya normal. Setelah petir hilang, arrester harus menutup dengan cepat kembali menjadi isolator, sehingga tidak mengakibatkan pemutus daya terbuka. Pada kondisi operasi normal, arus bocor pada arrester tidak boleh melebihi 2 ma. Apabila arus bocor melebihi angka tersebut, kemungkinan besar arrester mengalami kerusakan. Pada saluran distribusi, arrester yang biasanya digunakan adalah arrester jenis katub (valve type). Arrester jenis katub terdiri dari sela percik dan sela seri yang terhubung dengan elemen tahanan yang mempunyai karakteristik tidak linier. Tegangan frekuensi dasar tidak dapat menimbulkan tembus pada sela seri. Apabila sela seri tembus pada saat tibanya suatu surja yang cukup tinggi, sela tersebut berfungsi menjadi penghantar. Sela seri tidak bisa memutuskan arus susulan. Dalam hal ini sela seri dibantu oleh tahanan non linier yang mempunyai karakteristik tahanan kecil untuk arus besar dan tahanan besar untuk arus susulan dari frekuensi dasar. Lightning arrester jenis katub ditunjukkan pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6Lightning Arrester Jenis Katub II.5 Pembumian ( Grounding ) Pembumian adalah penghubungan suatu bagian dari rangkaian listrik atau bagian yang bersifat konduktor tetapi bukan bagian dari rangkaian listrik yang pada keadaan normal tidak bertegangan ke bumi. Tujuan dari pembumian adalah : Mengurangi tegangan kejut listrik pada peralatan. Memberi jalan bagi arus gangguan, baik akibat terjadinya arus hubung singkat ke tanah maupun akibat terjadinya sambaran petir. Untuk membatasi tegangan pada fasa yang tidak mengalami gangguan. Sesuai dengan SNI 04-0225-2000 Pasal 3.13.2.10 dan Pasal 3.19.1.4, nilai tahanan pembumian seluruh sistem tidak boleh lebih besar dari 5 Ω dan jarak antar elektroda pembumian minimal 2 kali panjang elektroda. Resistivitas tanah dapat dihitung dengan menggunakan rumus: dimana, 2.a.R... (2.9) ρ = Resistivitas tanah (Ωm)
a = Jarak antara elektroda (m) R = Tahanan (Ω) II.6 Tiang Pada umumnya tiang listrik yang sekarang pada Saluran Udara Tegangan Menengah ( SUTM ) 20 kv terbuat dari beton bertulang dan tiang besi. Pemakaian tiang kayu sudah jarang digunakan karena daya tahannya ( umurnya ) relatif pendek dan memerlukan pemeliharaan khusus. Dilihat dari fungsinya, tiang listrik dibedakan menjadi dua yaitu tiang pemikul dan tiang tarik. Tiang pemikul berfungsi untuk memikul konduktor dan isolator,sedangkan tiang tarik berfungsi untuk menarik konduktor. Pada SUTM 20 kv, jarak antar tiang ditetapkan sebesar 40 meter, tetapi jarak tersebut perlu disesuaikan dengan kondisi wilayah sehingga diberi standar yang jelas sejauh 30-50 meter. Untuk pemasangan tiang, sudah ada standar untuk kedalaman tiang yang harus ditanam dibawah permukaan tanah yaitu 1/6 dari panjang tiang.