BAB II TRANSFORMATOR DISTRIBUSI 2.1 Transformator Transformator merupakan suatu alat listrik yang mengubah tegangan arus bolak-balik dari satu tingkat ke tingkat yang lain melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip-prinsip induksi-elektromagnet. Transformator terdiri atas sebuah inti, yang terbuat dari besi berlapis dan dua buah kumparan, yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder. Penggunaan transformator yang sederhana dan handal memungkinkan dipilihnya tegangan yang sesuai dan ekonomis untuk tiap-tiap keperluan serta merupakan salah satu sebab penting bahwa arus bolak-balik sangat banyak dipergunakan untuk pembangkitan dan penyaluran tenaga listrik. Di dalam suatu sistem distribusi tenaga listrik, transformator distribusi dipergunakan untuk menurunkan tegangan penyulang utama (primary feeder) menjadi tegangan rendah (sekunder) yang langsung digunakan oleh para pemakai energi listrik (konsumen). Transformator distribusi dihubungkan langsung dengan beban melalui jaringan sekunder dan lokasi pemasangannya tersebar dibanyak tempat dengan jarak beberapa ratus meter atau sampai beberapa kilometer, tergantung pada kapasitas transformator dan besar beban yang dilayani. Menurut standart NEMA (The National; Electrical Manufactures Association), transformator dengan 3 kva sampai dengan 1600 kva diklasifikasikan - Untuk transformator distribusi 1 θ : rating dari 3 kva sd 500 kva 4
- Untuk transformator distribusi 3 θ : rating dari 9 kva sd 1600 kva - Untuk transformator transformator yang ratingnya lebih besar dari 1600 kva, diklarifikasikan sebagai transformator tenaga. Sekarang di Indonesia telah banyak dijumpai transformator distribusi dengan rating lebih besar dari 500 kva. 2.2 Prinsip Kerja Transformator Transformator terdiri atas dua buah kumparan (primer dan sekunder) yang bersifat induktif. Kedua kumparan ini terpisah secara elektris namun berhubungan secara megnetis melalui jalur yang memiliki reluktansi 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 fluks magnet di kumparan sekunder, maka mengalirlah arus sekunder jika rangkaian sekunder dibebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetisasi). = ( ) (2.1) Dimana : e = gaya gerak listrik (Volt) N = jumlah lilitan (turn) = perubahan fluks magnet (weber/sec) 5
2.3 Transformator Distribusi Transformator distribusi yang umum digunakan adalah transformator stepdown 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. Dalam mengklasifikasikan dan membedakan trasformator distribusi, salah satunya adalah dengan metode pendingin dan isolasi yang dipakai. Klasifikasi yang terbesar adalah transformator distribusi tipe kering atau yang berisi cairan. Pada transformator tipe kering, udara digunakan sebagai pendingin. Disamping itu udara juga digunakan sebagai medium isolasi. Transformator tipe ini umumnya dipakai untuk industri, daerah perdagangan dan tempat dimana minyak sulit diperoleh. Transformator yang berisi cairan dapat diklasifikasikan oleh oil filled dan inerteen filled type. Askarel adalah semacam inerteen yang tahan api, jadi transformator yang menggunakan inerteen biasanya digunakan pada daerah yang kemungkinan menimbulkan api yang cukup besar. Tipe transformator distribusi yang berisi cairan umumnya digunakan pada instalasi diatas tiang, serta pada penggunaan gardu distribusi out door Pada saat sekarang gas sudah banyak digunakan sebagai medium pendingin, tetapi pemakaiannya belum begitu luas. Dari letak pemasangan instalasi (konstruksi), transformator distribusi dapat dibedakan atas : 1. Transformator untuk instalasi gardu cantol 2. Transformator untuk instalasi gardu fortal 3. Transformator untuk instalasi gardu beton/kios 10
24,9 kva dan range 5 kva sampai 167 kva. Tegangan sekunder adalah 120/240 Volt atau 240/480 Volt. Sedangkan untuk tegangan primer range antara 2,4 sampai 11 kva dan range 9 sampai 150 kva, pada umumnya tegangan sekundernya adalah 120/240 Volt, 240/480 Volt. - Transformator yang dilengkapi dengan proteksi sendiri untuk pelayanan kedua cadangan (CSPS) Transformator tipe ini di desain untuk cadangan pelayanan kedua. Transformator ini dilengkapi dengan switch yang diparalel dengan transformator yang di suplay dari penyulang utama. Hal ini dimaksudkan apabila terjadi beban lebih, maka beban dapat dilayani oleh tiga transformator atau lebih untuk mereduksi beban yang tiba-tiba berubah. Selain itu bertujuan agar pelayanan terhadap konsumen tidak terputus bila terjadi kesalahan pada transformator. CSPB (Completely Self Transformer for Banking) 1 Φ didesain untuk menggunakan 1 Φ saja dan digunakan pada rating 10, 15, 25, dan 37 kva. 2.3.3 Transformator Instalasi Gardu Beton Transformator ini dipasang dibawah yang alasnya disemen dengan beton, dibandingkan dengan transformator instalasi tiang, dilihat dari estetika (keindahan), transformator jenis ini lebih baik, sebab pemasangannya di dalam ruangan atau dibawah sehingga tidak mengganggu pemandangan, terutama untuk daerah pusat perdagangan, pusat pertokoan, tempat hiburan dan rekreasi. Transformator untuk gardu beton dapat dilihat pada gambar 2.6 di bawah ini. 13
- Transformator jaringan (network transformer) Transformator jaringan dibagi atas tiga tipe yang umunnya yaitu : liquid filled, ventilasi dry type dan sealed dry type umumnya diatas 100 kva dengan tegangan sekunder 480 Volt atau lebih. - Tipe liquid filled ini paling umum digunakan dan biasanya dipakai untuk pelayanan pada system jaringan sekunder di daerah pinggiran kota. Tipe ini biasanya menggunakan rumah transformator. - Ventilasi dry type digunakan dengan kemungkinan jika menggunakan minyak dapat menimbulkan api. Tipe ini biasanya digunakan untuk melayani daerah industri atau daerah perdagangan. - Sealed dry type digunakan pada daerah tepi laut/ pantai atau pada daerah dimana akan cepat menimbulkan korosi atau explosive atmosfir. Transformator tiga fasa dengan kapasitas lebih dari 225 kva sudah tidak cocok lagi bila dipasang pada instalasi tiang. Hal ini disebabkan karena transformator yang terlalu berat sebanding dengan kapasitas ratingnya. Keadaan ini pada instalasi tiang selain konstruksi tiang yang bertambah mahal juga pemasangannya sulit dilakukan.transformator dengan instalasi gardu beton banyak juga digunakan pada daerah pertokoan dan daerah pantai dimana ada pengaruh kontaminasi gardu. Disamping itu banyak dipakai pada daerah perumahan untuk menghindari kebakaran, gangguan suara dan keselarasan dengan lingkungan sekitarnya. Pada instalasi gardu beton, transformator dipasang dalam suatu ruangan baik terbuat dari besi ataupun beton. Demikian pula dengan peralatan lainnya 15
Rugi Tembaga (P Cu ) Rugi yang disebabkan arus mengalir pada kawat tembaga dapat ditulis sebagai berikut : P Cu = I 2 R(watt)...(2.17) Formula ini merupakan perhitungan untuk pendekatan. Karena arus beban berubah-ubah, rugi tembaga juga tidak konstan bergantung pada beban. Dan perlu diperhatikan pula resistansi disini merupakan resistansi AC. Rugi Besi (Pi) Rugi inti atau rugi besi pada transformator juga adalah rugi dalam watt. Rugi inti pada transformator terdiri atas dua bagian, yaitu rugi hysteresis dan eddy current. Adapun penjelasan tentang kedua jenis rugi inti tersebut adalah sebagai berikut : Rugi Hysteresis, yaitu rugi-rugi yang disebabkan oleh fluks bolak-balik pada inti besi yang dinyatakan sebagai : Ph =, (watt) (2.18) Dimana : Kh = Konstanta Bmax = Fluks maksimum (weber) Rugi Eddy Current, yaitu rugi-rugi yang disebabkan oleh arus pusar pada inti besi yang dinyatakan sebagai : Pe = Dimana : Kh = Konstanta (watt) (2.19) 17
Bmax = Fluks maksimum (weber) Jadi rugi besi (inti) adalah Pi = Ph + Pe (watt).(2.20) 2.4.2 Efisiensi Transformator Efisiensi transformator adalah perbadingan antara keluaran daya yang berguna dan masukan daya total. Karena masukan ke transformator sama dengan keluaran daya yang berguna ditambah kerugiannya, maka persamaan efisiensi dapat ditulis dalam bentuk persamaan sebagai berikut : η = (P out / P in ) x 100% (2.21) Dimana : P out = Daya output transformator (watt) P in = Daya Input transformator (watt) 2.5 Karakteristik Beban Suatu sistem distribusi tenaga listrik adalah bertujuan menyalurkan tenaga atau daya listrik dari sumber daya besar kepada para pemakai (konsumen) yang membutuhkannya. Perencanaan suatu sistem distribusi tenaga listrik dipengaruhi oleh karakteristik beban yang harus dilayani. Karakteristik beban akan efektif jika diketahui penggunaan dari karakteristik beban itu sendiri. Bila keterangan atau informasi yang diperlukan tidak lengkap maka dapat dilakukan pendekatan. Hal ini harus diketahui bahwa hasil analisa hanyalah suatu pendekatan dan pemakaiannya hanya sebagai petunjuk. Tentu saja hasil analisa tersebut tidak bisa 18
lebih diandalkan bila dibandingkan dengan analisa yang menggunakan data karakteristik beban yang lebih lengkap. Pada umumnya suatu sistem distribusi direncanakan dengan memperhatikan perkembangan beban dimasa-masa yang akan datang. Hal ini berhubungan dengan penentuan kapasitas transformator distribusi yang dipasang dan juga akan bermanfaat dalam pengaturan penggantian atau changeout transformator distribusi tersebut. 2.6 Besaran-Besaran yang Berhubungan dengan Karakteristik Beban Untuk Memudahkan pengertian berikutnya, maka besaran-besaran yang berhubungan dengan karakteristik beban tersebut akan diuraikan dengan ringkas. Adapun besaran-besaran yang berhubungan dengan karakteristik beban adalah : 1. Demand 2. Maximum demand 3. Faktor beban (load factor) 4. Faktor kerugian (loss factor) 5. Faktor daya 6. Faktor responsibility puncak 2.6.1 Demand Demand adalah instalasi atau system beban rata-rata yang diambil oleh suatu alat dalam selang waktu tertentu. Demand dapat dinyatakan dalam satuan kw, kva, dan satuan lainnya.waktu selama beban dirata-ratakan dinamakan interval demand (demand interval). Interval kebutuhan merupakan periode yang 19
dijadikan dasar untuk menghitung beban rata-rata. Pemilihan periode ini dapat terjadi mulai selang 15 menit, selang 30 menit, selang 60 menit ataupun lainnya. Pada kondisi-kondisi tertentu kebutuhan pada selang 15 menit sama dengan kebutuhan pada selang 20 menit. Pernyataan kebutuhan ini harus diekspresikan dalam selang waktu dimana kebutuhan tersebut diukur. 2.6.2 Maximum Demand Maximum demand adalah suatu instalasi atau system demand terbesar yang terjadi dalam selang waktu tertentu. Seperti halnya dengan demand, maka maximum demand dapat uga dinyatakan dengan satuan kw dan kva. Maximum demand harus dinyatakan dalam interval, selain itu juga dapat dinyatakan dengan selang waktu bila maximum demand terjadi secara harian, mingguan, bulanan, dan tahunan. 2.6.3 Faktor Beban (Load Factor) Faktor beban adalah perbandingan antara beban rata-rata selama selang waktu tertentu dengan beban puncak yang terjadi dalam selang waktu tersebut. Beban rata-raata dan beban puncak harus dinyatakan dalam satuan yang sama, sehingga faktor beban tidak memiliki satuan. Pendefinisian dari faktor beban harus dalam batas spesifik, seperti demand interval, selang waktu dimana maksimum demand dan beban rata-rata terjadi. Suatu tipe beban tertentu memiliki kurva beba dengan selang waktu tertentu. Jika selang waktu diperbesar, akan menghasilkan nilai faktor beban yang lebih kecil. Karena pemakaian energi terdisribusi dalam waktu yang lebih lama, maka beban 20
rata-rata menjadi lebih kecil untuk selang waktu yang lebih besar, bila tidak terdapat perubahan dalam maksimum demand. Kurva beban dengan bermacam-macam bentuk dan beban puncak. Ada kemungkinan mempunyai faktor beban yang sama. Persyaratan yang diperlukan agar mempunyai faktor beban yang sama adalah perbandingan antara beban ratarata dan beban puncak sama. Persamaan untuk factor beban dapat dilihat di bawah ini F b =.(2.22) Dimana : F b P rata = Faktor beban = Daya rata-rata (kw) P puncak = Daya saat beban puncak (kw) 2.6.4 Faktor Kerugian (Loss Factor) Faktor kerugian adalah perbandingan antara kerugian daya rata-rata dengan kerugian daya beban puncak selama selang waktu tertentu. Faktor kerugian uga menyatakan derajat kerugiaan beban dalam suatu peralatan, selama beban puncak dipertahankan dalam selang waktu dimana nilai kerugian tersebut diperhitungkan. F LS =..(2.23) Dimana : F LS P rugi rata-rata P rugi puncak = Faktor kerugian = Rugi daya rata-rata (kw) = Rugi daya saat beban puncak (kw) 21
2.6.5 Faktor Daya (Power Factor) Pengertian factor daya dipakai untuk beban-beban yang terpusat, sedangkan untuk beban yang terbesar, tidak dapat digunakan secara tepat. Jika dipakai untuk beban yang terbesar atau kelompok beban yang setiap saat berubah, maka nilai factor daya harus dinyatakan untuk setiap keadaan beban seperti beban minimum atau beban puncak. Kesulitan ini menyebabkan kita terpaksa harus mengambil nilai rata-rata factor daya dari suatu kelompok beban. Hal ini yang selalu dilakukan terutama dalam melayani beban industry dan daerah perdagangan, hal ini dapat ditentukan dengan faktor daya rata-rata sama dengan daya aktif rata-rata dibagi dengan daya semu rata-rata. Dapat dinyatakan dengan persamaan : Faktor daya = Dimana : kwh kvah.(2.24) = Daya aktif = Daya semu 2.6.6 Faktor Responsibility Puncak Faktor responsibility puncak (K) sistem distribusi adalah perbandingan dari beban transformator pada saat puncak feeder distribusi atau puncak substation dengan beban puncak transformator sesungguhnya. Pada tabel 3.1 dibawah ini terdapat nilai K yang direkomendasikan [1]. Jenis Transformator Nilai K Transformator daya 1.0 Transformator step up 0.9 Transformator step down 0.8 Tabel 2.1 Nilai faktor responsibility puncak (K) 22
2.7 Klasifikasi Beban Pada umumnya beban diklasifikasikan untuk maksud tertentu. Penggolongannya yang digunakan dalam industri tidak dapat dipakai secara umum karena di dalam setiap kondisi klasifikasi beban diperlukan. Klasifikasi beban yang akan diuraikan disini adalah berdasarkan dari pemakaian yang mana beban diklasifikasikan menjadi tiga macam yaitu : - Perumahan - Pertokoan/ perdagangan - Industri/pabrik Berikut ini akan dijelaskan beberapa hal yang pada umumnya menjadi sifat atau karakteristik dari masing-masing jenis beban berdasarkan tipe dari pemakaian. 2.7.1 Beban Perumahan Beban perumahan adalah beban yang harus dilayani oleh transformator distribusi yang terdiri dari seluruhnya atau sebagian besar merupakan tempat tinggal atau rumah kediaman penduduk. Beban perumahan umumnya terdiri dari peralatan-peralatan listrik seperti : lampu penerangan, pesawat televise, radio penerima, setrika listrik, kompor atau tungku listrik, lemari es, Air Conditioning (AC), dan lain sebagainya. Besarnya beban perumahan ini dalam satu interval waktu tertentu sangat bervariasi, berubah-ubah dari waktu ke waktu sesuai dengan kebiasaan atau budaya penduduk setempat untuk menggunakan energy listrik, serta dipengaruhi oleh keadaan geografis atau iklim cuaca dimana perumahan tersebut berada. 23
Sehingga bila diperhatikan kurva beban maka dapat dilihat variasi atau perubahan besarnya beban yang kadang-kadang lebih kecil dari rating transformator distribusi yang melayani atau sebaiknya bahkan lebih besar dari rating trafo distribusi yang melayani. Bila beban yang harus dilayani lebih besar dari rating transformator distribusi ini berarti transformator distribusi beroperasi melayani beban lebih. Maka hal ini sangat mempengaruhi kemampuan transformator distribusi pada masa yang akan datang. Pada umumnya kurva beban harian dari suatu beban perumahan mempunyai dua beban puncak yang terjadi yaitu pagi hari dan pada waktu malam hari. Begitu juga halnya dengan kurva beban tahunan, mempunyai variasi atau perubahan-perubahan dan terjadinya beban puncak yang tertinggi pada waktu musim panas ataupun pada waktu musim dingin/penghujan. 2.7.2 Beban Pertokoan/ Perdagangan Beban pertokoan/ perdagangan adalah beban yang harus dilayani oleh transformator distribusi, beban ini terdiri dari suatu kelompok pertokoan/ perdagangan yang terletak di pusat kota, maupun yang terletak di pinggiran kota. Besarnya perubahan beban pertokoan selama interval waktu tertentu, misalnya besar perubahan beban pertokoan relati kecil dibandingkan dengan beban perumahan sehingga factor bebannya akan menjadi lebih besar. Jenis-jenis peralatan (beban) yang harus dilayani oleh transformator distribusi untuk beban pertokoan. Pada umumnya adalah : lampu penerangan, mesin-mesin kecil, pengatur atau pendingin udara dan lain-lain. 24
Beban puncak pada daerah pertokoan/ perdagangan ini umumnya terjadi pada pagi hingga siang hari, dan pada malam hari disamping juga untuk penerangan. Untuk beban pertokoan/ perdagangan masalah kesinambungan penyaluran daya menjadi prioritas yang harus dipertahankan mengingat faktor keselamatan dan keamanan pada daerah tersebut. 2.7.3 Pabrik/ Industri Beban industri adalah beban yang terdiri dari suatu kelompok daerah perindustrian, yang harus dilayani oleh transformator distribusi. Beban industry biasanya terletak terpisah dari daerah perumahan maupun pertokoan yang padat penduduknya. Hal ini dimaksudkan untuk mencegah drop tegangan yang sering terjadi pada daerah industry sebab hal ini akan berpengaruh terhadap peralatan listrik yang terdapat pada daerah perumahan/ pertokoan. Beban yang harus dilayani oleh transformator distribusi di daerah perindustrian pada umumnya adalah motor-motor listrik yang merupakan peralatan utama di dalam suatu industry. Suatu industry biasanya beroperasi selama 24 jam terus menerus selama satu hari dengan perubahan beban yang relatif kecil. Hal ini berarti bahwa beban di daerah perindustrian yang harus dilayani oleh transformator distribusi relatif tetap atau hamper sama besar setiap harinya. 2.8 Perkembangan beban Pada umumnya suatu sistem distribusi di desain untuk memenuhi kebutuhan atau melayani beban pada saat sekarang dan masa yang akan dating. 25
Hal ini sangat berguna untuk mengatasi terjadinya perubahan atau pertambahan beban, maka suatu transformator distribusi didesain dengan perubahan atau pertumbuhan beban, seiring kemajuan teknologi dalam hitungan hari, bulan, maupun tahunan. Besarnya kemampuan suatu sistem biasanya direncanakan sesuai dengan masalah yang timbul di dalam melakukan analisa. Disini yang menjadi pokok perhatian adalah kemampuan transformator distribusi di dalam melayani beban bila beban mengalami perkembangan pada tahun-tahun berikutnya, sehingga kapasitas/ rating transformator distribusi yang harus dipasang dapat melayani suatu tipe beban tertentu dalam waktu relative cukup lama untuk memperkecil biaya operasional dan penggantian transformator distribusi. Apabila tingkat pertumbuhan beban diketahui maka akan diketahui pertambahan beban selama suatu periode waktu tertentu (tahun) dapat diperoleh berdasarkan persamaan [2] : Pn = Po (1+r) n.(2.25) Dimana : Pn = Pertumbuhan beban pada tahun ke-n Po = Beban awal r = Tingkat pertumbuhan beban setiap tahunnya n = Tahun ke-n Besarnya nilai r untuk suatu nilai Pn akan diperoleh dalam jangka waktu tertentu hal ini sangat membantu untuk mengetahui perkembangan beban dalam suatu periode waktu tertentu. 26
2.9 Biaya Rugi-Rugi Daya pada Transformator Distribusi Perhitungan biaya rugi-rugi daya pada transformator distribusi terdiri dari dua yaitu perhitungan biaya rugi daya tanpa beban dan biaya rugi daya berbeban. Hasil dari kedua biaya ini merupakan biaya total untuk transformator. Rugi biaya total didefinisikan oleh IEEE C57.12.00-1987 sebagai jumlah dari rugi daya tanpa beban dan rugi daya berbeban [3]. 2.9.1 Biaya Rugi Daya Tanpa Beban Trafo Distribusi Rugi-rugi yang terjadi pada inti besi trafo merupakan rugi-rugi daya tanpa beban. Besarnya rugi rugi ini dapat diukur saat trafo tidak dibebani. Besarnya rugi daya tanpa beban adalah tetap dan dapat dihitung dengan persamaan berikut. Btb = ( 8760 x Btl ).Rbn.(2.26) Dimana : Btb = Biaya rugi daya tanpa beban (Rp/tahun) 8760 = jumlah waktu dalam satu tahun (jam/tahun) Btl = Biaya tenaga listrik (Rp/Kw per tahun) Rbn = Rugi daya tanpa beban/ rugi beban nol (Kw) 2.9.2 Biaya Rugi Daya Berbeban Trafo Distribusi Biaya rugi-rugi daya berbeban besarnya akan berubah berdasarkan perubahan beban unit trafo yang ada. Jika beban naik, maka rugi-rugi daya berbeban akan naik juga sehingga biayanya akan naik juga. [4] [5] Dalam perhitungan biayanya harus dimasukkan faktor pertumbuhan beban, responsibility factor, dan factor rugi-rugi. Biaya rugi-rugi berbeban dapat dihitung sebagai berikut. 27
Bb = ( Fr.8760.Btl ).Rb (Pmaks/Sn) 2.k (2.27) Dimana : Bb Rb = Biaya rugi daya berbeban tahun ke-n (Rp/thn) = rugi daya berbeban trafo Smaks = Daya maksimal trafo (KVA) Fr k = Faktor rugi-rugi = Faktor pertumbuhan beban k =..(2.28) Dimana : i = tingkat bunga pertahun r = tingkat pertumbuhan beban pertahun n = jumlah tahun pengusahaan Jadi biaya rugi-rugi daya total setiap tahun adalah : Brt (n) = Btb (n) + Bb (n) = ( Bdl + 8760.Btl ).Rtb + ( Bdl.Rf + Fr.8760.Btl).Rdb (Smaks/Sn) 2...(2.29) Faktor rugi-rugi trafo dapat dicari dengan persamaan Fr = Fb (c) + (1-c) Fb 2.(2.30) Dimana : Fb = 100%...(2.31) Pr = Daya rata-rata Pmax = Daya yang tertinggi saat beban puncak c = Konstanta untuk sistem distribusi 0.15 dan sistem transmisi 0.3 28