BAB II DASAR TEORI 2.1 Pengertian Transformator Gambar 2.1 Transformator Transformator merupakan salah satu alat kelistrikan yang memiliki fungsi untuk mentansfer energi antara dua buah sirkuit yang melalui induksi elektromagnetik. Transformator digunakan sebagi perubahan tegangan dengan mengubah tegangan sebuah arus bolak balik dari suatu tegangan ke tingkatan tegangan lainnya, dari suatu input ke input alat tertentu, untuk menyediakan kebutuhan yang berbeda dari sebuah tingkatan arus sebagai sumber arus cadangan, atau bisa juga di gunakan untuk mencocokkan impedansi antara sirkuit elektrik yang tidak sinkron untuk memaksimalkan pertukaran antara 2 sirkuit. Hal ini memungkinkan terjadinya pertambahan daya arus listrik yang terjadi dari sebuah benda yang memiliki arus tegangan listrik yang tidak stabil. 5
6 2.2 jenis-jenis transformator 2.2.1 Transformator Step up Gambar 2.2 lambang transformator step-up Transformator step-up adalah transformator yang memiliki lilitan sekunder yang lebih banyak daripada lilitan primer, sehingga berfungsi sebagi penaik tegangan. Transformator ini banyak digunakan pada suatu pembangkit tenaga listrik sebagai penaik tegangan yang dihasilkan generator menjadi tenggan tinggi guna untuk transmisi jarak jauh. 2.2.2 Transformator Step Down Gambar 2.3 skema transformator step-down Transformator step-down memiliki lilitan sekunder lebih sedikit daripada lilitan primer, sehingga berfungsi sebagai penurun tegangan. Transformator jenis ini sangat mudah ditemui, terutama dalam adaptor AC-DC.
7 2.2.3 Autotransformator Gambar 2.4 skema autotransformator Transformator jenis ini hanya terdiri dari satu lilitan yang berlanjut secara listrik, dengan sadapan tengah. Dalam transformator ini, sebagian lilitan primer juga merupakan lilitan sekunder. Fasa arus dalam lilitan sekunder selalu berlawanan dengan arus primer, sehingga untuk tarif daya yang sama lilitan sekunder bisa dibuat dengan kawat yang lebih tipis dibandingkan transformator biasa. Keuntungan dari autotransformator adalah ukuran fisiknya yang kecil dan kerugian yang lebih rendah daripada jenis dua lilitan. Tetapi transformator jenis ini tidak dapat memberikan isolasi secara listrik antara lilitan primer dengan lilitan sekunder. Selain itu, autotransformator tidak dapat digunakan sebagai penaik tegangan lebih dari beberapa kali lipat (biasanya tidak lebih dari 1,5 kali). Gambar 2.5 skema autotransformator variabel
8 Autotransformator variabel sebenarnya adalah autotransformator biasa yang sadapan tengahnya bisa diubah-ubah, memberikan perbandingan lilitan primer-sekunder yang berubah-ubah. Trafnsformaor ini banyak digunakan pada mesin las. 2.3 Bagian-bagian Transformator 2.3.1 Bagian Utama 1) Inti Besi Berfungsi untuk mempermudah jalan fluksi, yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melalui kumparan. Dibuat dari lempengan-lempengan besi tipis yang berisolasi, untuk mengurangi panas (sebagai rugi-rugi besi) yang ditimbulkan oleh Eddy Current. 2) Kumparan Transformator Gambar 2.6 kumparan transformator Adalah beberapa lilitan kawat berisolasi yang membentuk suatu kumparan. Kumparan tersebut terdiri dari kumparan primer dan kumparan sekunder yang diisolasi baik terhadap inti besi maupun terhadap antar kumparan dengan isolasi padat seperti karton, pertinak dan lain-lain. Kumparan tersebut
9 sebagai alat transformasi tegangan dan arus. Besarnya arus yang mengalir melalui kumparan pada transformator dapat dihitung dengan rumus : ILs =.. φ... (2.1) Dengan : ILs Pout VLs Cos φ = Arus line sekunder (A) = Daya keluaran transformator (W) = Tegangan sekunder (V) = Faktor daya Pin = Pout + Rugi rugi... (2.2) Denagn : Pin Pout = Daya masuk (W) = Daya keluaran (W) Pada transformator terdapat luas penampang yang dapat mempengaruhi nilai dari kerapatan arus. Dimana kerapatan arus dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : δ =... (2.3) Dengan : = Rapat arus (A/mm 2 ) l = Besarnya arus (A) A = Luas penampang (mm 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.
10 4) Bushing Hubungan antara kumparan trafo ke jaringan luar melalui sebuah bushing yaitu sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator, yang sekaligus berfungsi sebagai penyekat antara konduktor tersebut dengan tangki trafo. Gambar 2.7 Bushing Transformator 5) Tangki Konservator Pada umumnya bagian-bagian dari trafo yang terendam minyak trafo berada (ditempatkan) dalam tangki. Untuk menampung pemuaian minyak trafo, tangki dilengkapi dengan konservator. Gambar 2.8 Konservator Trafo
11 2.3.2. peralatan bantu 1) Pendingin Pada inti besi dan kumparan-kumparan akan timbul panas akibat rugi-rugi besi dan rugi-rugi tembaga. Bila panas tersebut mengakibatkan kenaikan suhu yang berlebihan, akan merusak isolasi (didalam transformator). Maka untuk mengurangi kenaikan suhu transformator yang berlebihan maka perlu dilengkapi dengan alat/ sistem pendingin untuk menyalurkan panas keluar transformator. Pada cara alamiah (natural), pengaliran media sebagai akibat adanya perbedaan suhu media dan untuk mempercepat perpindahan panas dari media tersebut ke udara luar diperlukan bidang perpindahan panas yang lebih luas antara media (minyak-udara/gas), dengan cara melengkapi transformator dengan siripsirip (Radiator). Gambar 2.9 Radiator sebagai Pendingin Bila diinginkan penyaluran panas yang lebih cepat lagi, cara natural/alamiah tersebut dapat dilengkapi dengan peralatan untuk mempercepat sirkulasi media pendingin dengan pompa-pompa sirkulasi minyak, udara dan air. Cara ini disebut pendingin paksa (Forced).
12 Gambar 2.10 kipas pendingin transformator 2) Tap Changer (Perubah Tap) 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. 3) Alat Pernapasan (Silicagel). 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
13 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 kaca berisi kristal zat hygroskopis sehingga dapat dilihat warnanya. Gambar 2.11 Alat Pernafasan Trafo (silicagel) 4) Indikator. Untuk mengawasi selama transformator beroperasi, maka perlu adanya indicator pada transformator sebagai berikut: - Indikator suhu minyak - Indikator permukaan minyak. - Indikator sistem pendingin. - Indikator kedudukan tap. 2.3.3 Minyak Transformator Isolator merupakan suatu sifat bahan yang mampu untuk memisakan dua buah penghantar atau lebih yang berdekatan untuk mencegah adanya kebocoran arus/hubung singkat, maupun sebagai pelindung mekanis dari kerusakan yang diakibatkan oleh korosif atau stressing. Minyak isolator yang dipergunakan dalam transformator daya mempunyai beberapa tugas utama, yaitu :
14 1. Media Isolator 2. media pendingin 3. media/alat untuk memadamkan busur api. 4. Perlindungan terhadap korosi atau oksidasi. Kenaikan temperatur akan mengkatalis terjadinya oksidasi di dalam minyak transformator. Dengan semakin tingginya pembebanan transformator maka reaksi kimia yang terjadi didalam minyak transformator akan semakin cepat sehingga kandungan asam akan semakin tinggi. Dengan meningkatnya kandungan asam dalam minyak, maka kualitas minyak menjadi menurun. Untuk mengetahui nilai temperatur, menurut IEEE Std. C57. 104-1991 dapat menggunakan rumus : T ( o C) = (100. C 2 H 4 /C 2 H 6 ) + 150... (2.4) Kenaikan tempeatur yang terjadi pada transformator dapat dipengaruhi oleh arus yang mengalir pada transformator, dimana kinerja transformator dapat dipengaruhi oleh temperatur. Kenaikan temperatur yang berpengaruh oleh arus dapat dihitung dengan menggunakan persamaan. =.......(2.5) Dengan : = kenaikan temepratur ( o C) I s ρ = arus yang mengalir (A) = resistivitas (Ωm) α s = luas penampang konduktor (m 2 ) t = waktu (s) g = rapat material konduktor (kg/m 3 ) h = panas material konduktor (J/kg- o C)
15 2.4 Metoda Pengujian DGA (Dissolved Gas Analayzer) 2.4.1 Definisi DGA (Dissolved Gas Analayzer) Pada dasarnya DGA (dissolved gas analayzer) adalah proses untuk menghitung kadar/nilai dari gas-gas hidrokarbon yang terbentuk akibat ketidaknormalan. Dari komposisi kadar/nilai gas-gas itulah dapat diprediksi dampak-dampak ketidaknormalan apa yang ada di dalam trafo, apakah overheat, arcing atau corona. Selain itu, Pengujian DGA merupakan salah satu langkah perawatan prefentif yang dilakukan dalam interval paling tidak setahun sekali. Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui kondisi terkini dari suatu transformator. Pada pengujian DGA sama halnya dengan pengujian darah pada manusia. Darah manusia bertujuan untuk melarutkan zat-zat yang terkandung pada tubuh manusia, sehingga dapat diketahui informasi informasi mengenai kondisi tubuh manusia. Begitu pula dengan transformator, dengan dilakukan pengujian DGA bertujuan untuk mengetahui kondisi transformator secara keseluruhan. Pengujian DGA dilakukan dengan pengambilan sample minyak dari suatu transformator kemudian gas terlarut yang terkandung pada minyak trafo tersebut diekstrak. Gas yang diekstrak lalu dipisahkan, diidentifikasi komponen-komponen individualnya, dan dihitung kualitasnya dalam satuan Part Per Million (ppm). Keuntungan utama dari pengujian DGA adalah deteksi dini akan adanya kegagalan yang ada pada transformatoryang diujikan. Namun kelemahannya adalah diperlukan tingkat kemurnian yang tinggi dari sample minyak yang diujikan. Umumnya alat uji DGA memiliki sensitivitas yang tinggi, sehingga ketidakmurnian sample akan menurunkan tingkat akurasi dari hasil uji DGA.
16 2.4.2 Metoda ekstraksi gas Ada dua metoda yang digunakan untuk mengekstraksi fault gas yang terlarut dalam minyak trafo, yaitu : 2.4.2.1 Gas Chromotograph (GC) Gambar 2.12 Sekema Gas Chromatograph Gas chromotograph merupakan metoda yang digunakan untuk memisahkan dan mendeteksi zat-zat tertentu dari sebuah senyawa gas. Senyawa gas ini biasanya dipisahkan berdasarkan dari tingkat penguapannya. Sehingga dapat memberikan informasi dari kompenen yang diuji. Sample yang diuji biasanya sudah berbentuk gas atau dipanaskan terlebih dahulu kemudian diuapkan sampai berbentuk gas. Gas chromatograph ini terdiri dari beberapa bagian utama, seperti : 1. gas pengangkut / pembawa Gas ini ditempatkan didalam silinder bertekanan tinggi, biasanya tekana silindernya mencapai 150 atm. Gas pembawa ini bersifat inert dan harus sangat murni. Sering kali gas ini disaring terlebih dahulu untuk menahan uap air atau debu. Pemilihan gas pengangkut atau pembawa ditentukan oleh ditektor yang digunakan. Tabung gas pembawa dilengkapi dengan pengatur tekanan keluaran dan pengukur tekanan. Sebelum masuk ke kromatografi, ada pengukur kecepatan aliran gas serta sistem penapis molekuler untuk memisahkan air dan pengotor gas
17 lainnya. Pada dasarnya kecepatan alir gas diatur melalui pengatur tekanan dua tingkat yaitu pengatur kasar (coarse) pada tabung gas dan pengatur halus (fine) pada kromatografi. 2. tempat injeksi (injection port) Dalam kromatografi gas cuplikan harus dalam bentuk fase uap. Gas dan uap dapat dimasukkan secara langsung. Tetapi kebanyakan senyawa organik berbentuk cairan dan padatan. Hingga dengan demikian senyawa yang berbentuk cairan dan padatan pertama-tama harus diuapkan. Ini membutuhkan pemanasan sebelum masuk dalam kolom. 3. kolom Kolom merupakan bagian vital kromatografi gas dimana, dikolom itulah terjadi pemisahan komponen-komponen sample. Pemisahan komponen sample terjadi yang berwujud puncak-puncak yang disebut Chromatogram, Faktor yang berkaitan dengan keterpisahan puncak Chromatography adalah keefisienan kolom dan keefisienan pelarut. Kolom biasanya terbuat dari baja tahan karat, nikel, kaca. 4. Detektor Fungsi detektor untuk memonitor gas pembawa yang keluar dari kolom dan merespon perubahan komposisi yang terdeteksi. 5. Recorder (Pencatat) Fungsi recorder sebagai alat untuk mencetak hasil percobaan pada sebuah kertas yang hasilnya disebut kromatogram (kumpulan puncak grafik).
18 2.4.2.2 Photoacoustic Spectroscopy Gambar 2.13 Metoda Ekstraksi dengan Photoaoustic Spectroscopy Penyerapan radiasi gelombang elektromagnetrik oleh gas akan meningkatkan temperatur dari gas yang diuji. Peningkatan temperatur ini berbanding lurus dengan peningkatan tekanan dari gas (selama kondisi gas berada pada wadah tertutup). Dengan menggetarkan sumber radiasi, tekanan dari gas pada wadah tertutup ini akan berfluktuasi secara sinkron sehingga amplitude dari resultan gelombang tekanan dapat dideteksi menggunakan mikrofon yang sensitif. Proses pengukuran dengan metode ini dimulai dengan sumber radiasi yang menciptakan radiasi gelombang elektromagnetik sinar inframerah. Radiasi tersebut dipantulkan pada cermin parabolic lalu menuju piringan pemotong (chopper) yang berputar dengan kecepatan konstan dan menghasilkan efek stoboskopik terhadap sumber bahaya. Radiasi ini diteruskan melalui filter optic, yaitu filter yang secra selektif dapat meneruskan sinar dengan karakteristik tertentu dan memblokir sinsr-sinar lain yang karakteristikinya tidak diinginkan. Sinar yang sudah difilter ini lalu masuk ke ruangan pengujian (analysis chamber) dan bereaksi dengan senyawa-senyawa gas yang telah diekstrak dari minyak. Selanjutnya mikrofon-mikrofon yang sensitif akan mendeteksi jumlah/konsentrasi
19 dari masing-masing jenis gas. Proses ini terus diulangi untuk setiap filter optik yang telah di set oleh peralatan ukur DGA. Sample minyak yang digunakan untuk pengujian dapat diambil secara langsung dari transformator dan dimasukan ke botol sample. Minyak diaduk menggunakan magnet berlapis teflon yang dimasukan kedalam botol sampel untuk membuat gas-gas terlarut dalam minyak naik kepermukaan minyak. Gasgas ini akan terus naik kebagian headspace botol sampel dan bergerak melewati saluran tertentu dan diteruskan ke modul Phoroaoustic Spectroscopy. 2.5 Proses Terbentuknya Gas Dalam Transformator Seperti diketahui bahwa komponen transformator antara lain : konduktor, bushing, dan isolasi (padat dan cair) dll. Dalam hal ini bahan yang mudah teruai (terdekomposisi) dari transformator adalah bahan organik yang berasal dari bahan isolasi padat (kertas) dan isolasi cair (minyak), sedangkan bahan anorganik yang berasal dari konduktor, keramik dan logam lain relatif tidak akan terdekomposisi dalam kondisi operasi transformator. Bila dilakukan suatu percobaan pada sistem isolasi minyak dan kertas dengan suatu tegangan yang sesuai dengan kondisi operasi transformator, maka akan diperoleh penguraian komponen sebagai berikut: 2.5.1 Isolasi kertas/selulosa 2.5.1.1 Proses over heating Bila selulosa/kertas dipanaskan dengan over heating (paling rendah 140 o C) dalam sistem tertutup sesuai dengan kondisi transformator, maka terjadi penguraian selulosa menjadi gas karbonmonoksida (CO), karbondioksida (CO 2 ) dan H 2 O. 2.5.1.2 Proses Pirolisis Bila selulosa dipanaskan sampai terurai dengan proses pirolisis dan temperatur di atas 250 o C dalam sistem tertutup, maka akan terbentik lebih banyak
20 karbon monoksida (CO) dari pada karbon dioksida (CO 2 ) dengan jumlah kira-kira CO lebih besar empat kali dari CO 2. 2.5.2 Isolasi Cair (minyak trafo) 2.5.2.1 Proses Over heating Bila minyak trafo mineral dipanaskan pada temperatur diatas 500 o C, maka akan menyebabkan pembebasan gas hidrokarbon seperti; etilen (C 2 H 4 ), etena (C 2 H 6 ) dan metana (CH 4 ). 2.5.2.2 Proses Pirolisis Bila terhadap minyak trafo diberikan tegangan listrik secara ekstrim (seperti arcing), komposisi gas yang dibebaskan adalah sebagai berikut : 1. hidrogen (H 2 ) : 60,0 80,0 % V/V 2. asetilen (C 2 H 2 ) : 10,0 25,0 % V/V 3. metana (CH 4 ) : 1,5 3,5 % V/V 4. etilen (C 2 H 4 ) : 1,0 2,9 % V/V Penyebab utama terbentuknya gas gas dalam kondisi operasi transformator adalah adanya gangguan seperti : 1. Thermal degradasi 2. Arcing 3. Partial discharge Gangguan tersebut dapat terjadi terhadap isolasi jertas maupun cair. Selain itu faktor rendahnya kualitas minyak juga membantu proses gangguan terbentuknya gas-gas, yaitu seperti besarnya kadar air, kadar lumpur (sludge) dll.
21 2.5.3 Thermal degradasi Indikasi gas : C 2 H 4, CH 4, H 2, C 2 H 6 Degradasi yang terjadi dapat dibagi kedalam dua kategori yaitu : 1. Temperatur rendah, overheating, area luas. 2. Temperatur tinggi, area sempit terjadi hubung singkat. Hal ini penting untuk dicatat bahwa laju kegagalan yang meyebabkan timbulnya gas-gas sangat dipengaruhi oleh temperatur khususnya untuk suatu reaksi kimia seperti pirolisis. Laju pertumbuhan gas berhubungan secara eksponensial dengan temperatur dan dapat digambarkan laju kenaikannya pada setiap kenaikan temeratur 10 o C. Selanjutnya kegagalan pada temperatur rendah memerlukan area yang luas sehingga menimbulkan gas-gas tersebut. Dan pada temperatur rendah ini, proses pirolisis pada minyak trafo akan membebaskan gas terutama metana (CH 4 ), etana (C 2 H 6 ) dan sejumlah kecil gas etilen dan hidrokarbon (H 2 ). Seperti diketahui kenaikan temperatur tidak hanya mempercepat laju timbulnya gas tersebut, akan tetapi dapat juga menimbulkan sejumlah gas hidrokarbon tak jenuh, yang bertambah secara nyata dengan gas hidrokarbon jenuh. Kegagalan akibat temperatur tinggi ditunjukkan dengan timbulnya gas etilen (C 2 H 4 ) sebagai gas yang paling dominan. 2.5.4 Arcing Indikasi gas : H 2, C 2 H 2 Tembusnya minyak isolasi akibat arcing ditunjukkan dengan dihasilkannya gas hidrokarbon (H 2 ) dan asetilen (C 2 H 2 ) sebagai gas yang dominan pada penguraian ini. Gas tersebut juga disertai dengan sejumlah kecil gas etilen dan gas lainya yang dihasilkan melalui proses termal.
22 2.5.5 Partial Discharge Indikasi gas : Hidrogen (H 2 ) Petunjuk yang paling nyata sebagai akibat terjadinya proses partial discharge dalam sistem tertutup seperti transformator yang beroperasi adalah timbulnya gas hidrogen. Hidrogen tidak disertai dengan timbulnya gas yang lain, tetapi hidrogen dapat juga sebagai hasil reaksi antara uap air (sebetulnya tidak boleh ada) dengan baja (Fe) dalam transformator yang menghasilkan gas hidrokarbon. 2 Fe + 3 H 2 O Fe 2 O 3 + 3 H 2 (baja) (moisture) (sludge) (gas)