6 BAB II TRANSFORMATOR DAYA DAN PENGUBAH SADAPAN BERBEBAN 2.1 Sistem Tenaga Listrik Tenaga listrik dibangkitkan dipusat pusat listrik (power station) seperti PLTA, PLTU, PLTD, PLTP dan PLTGU kemudian disalurkan melalui saluran transmisi setelah terlebih dahulu dinaikkan tegangannya oleh transformator penaik tegangan yang berada di pusat listrik. Saluran transmisi tegangan tinggi kebanyakan mempunyai tegangan 30 kv, 66 kv, 150 kv dan 500 kv. Khusus untuk tegangan 500 kv dalam prakteknya sering disebut tegangan ekstra tinggi. Setelah melalui saluran transmisi maka tenaga listrik sampai ke gardu induk ( sub station ) untuk diturunkan menjadi tegangan menengah atau tegangan distribusi primer yang bertegangan 6 kv, 12 kv atau 20 kv. Yang terakhir di sebutkan adalah yang cenderung di gunakan di indonesia. Jaringan setelah keluar dari gardu induk biasa di sebut jaringan distribusi, sedangkan jaringan antara pusat listrik dan gardu induk biasa disebut jaringan transmisi, baik saluran transmisi ataupun saluran distribusi ada yang berupa saluran udara dan ada yang berupa kabel tanah. Setelah melalui jaringan distribusi primer maka kemudian tenaga listrik diturunkan tegangannya dalam gardu gardu distribusi menjadi tegangan rendah
7 atau jaringan distribusi sekunder dengan tegangan 380 V atau 220 V. Melalui jaringan tegangan rendah untuk selanjutnya disalurkan ke rumah rumah pelanggan (konsumen) melalui sambungan rumah hingga ke alat pengukur dan pembatas di rumah rumah pelanggan atau biasa disebut kwh Meter. Gambar 2.1. Sistem Penyaluran Tenaga Listrik 2.2 Transformator Daya Dalam sistem penyaluran energi listrik peran transformator menjadi sangat penting terutama dalam mengatur tegangan keluaran dan menjaganya supaya tetap konstan hingga sampai ke konsumen. Transformator merupakan suatu alat listrik statis yang dapat memindahkan dan mengubah tegangan dan arus bolak balik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain dengan nilai yang sama maupun berbeda besar tegangannya pada frekuensi yang sama, melalui suatu gandengan megnetis yang bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Pada umumnya transformator terdiri atas sebuah inti yang terbuat dari besi berlapis, dan dua buah kumparan, yaitu kumparan primer dan
8 kumparan sekunder. Rasio perubahan tegangan akan tergantung dari rasio jumlah lilitan pada kedua kumparan itu. Biasanya kumparan terbuat dari kawat tembaga yang dililitkan pada kaki inti transformator. 2.2.1 Prinsip Kerja Transformator Dasar dari teori transormator adalah sebagai berikut : Arus listrik bolak-balik yang mengalir mengelilingi suatu inti besi maka inti besi itu akan berubah menjadi magnit (seperti gambar 2.2.) dan apabila magnit tersebut dikelilingi oleh suatu belitan maka pada kedua ujung belitan tersebut akan terjadi beda tegangan. Gambar 2.2.a Suatu lilitan mengelilingi magnit maka akan timbul gaya gerak listrik (GGL) Gambar 2.2.b Suatu arus listrik mengelilingi inti besi maka inti besi itu menjadi magnit. Arus yang mengalir pada belitan primer akan menginduksi inti besi transformator sehingga didalam inti besi akan mengalir fluks magnet dan fluks magnet ini akan menginduksi belitan sekunder sehingga pada ujung
belitan sekunder akan terdapat beda potensial. Dari prinsip tersebut di atas dibuat suatu transformator seperti gambar 2.3. 9 Gambar 2.3. Prinsip Dasar dari Transformator Rumus tegangan adalah : V = 4,44 ɸ N f x 10-8... 2.1 Maka untuk transformator rumus tersebut sebagai berikut : V p : V s = 4,44 ɸ N p f p x 10-8 : 4,44 ɸ N s f s x 10-8 karena f p = f s maka V p : V s = 4,44 ɸ N p f p x 10-8 : 4,44 ɸ N s f s x 10-8 V p : V s = N p : N s Dimana : V p N s = V s N p V s = (N s / N p ) x V p... 2.2 V p = tegangan primer N p = jumlah belitan primer V s = tegangan sekunder N s = jumlah belitan sekunder VA primer = VA sekunder
10 I p x V p = I s x V s V p / V s = I s / I p I p = I s (V s / V p )... 2.3 Dimana : I p = Arus primer V p = Tegangan primer I s = Arus sekunder V s = Tegangan sekunder Rumus umum menjadi : V p / V s = N p / N s = I s / I p... 2.4 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 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 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 dibebani, sehingga energi listrik dapat ditransferkan 11 keseluruhan secara magnetisasi. dɸ e = -N... 2.5 dt Dimana : e = gaya gerak listrik N = jumlah lilitan dɸ = perubahan fluks magnet Tujuan menggunakan inti pada transformator adalah untuk mengurangi reluktansi (tahanan magnetis) dari rangkaian magnetis. 2.2.2 Trafo Pengubah Tap Perbaikan tegangan dapat dilakukan dengan metode pengaturan tegangan berupa penggunaan trafo pengubah tap. Dengan menggunakan trafo pengubah tap kita dapat mengatur rasio lilitan primer dan sekunder trafo. Dengan demikian kita dapat mengatur tegangan keluaran trafo. Hal ini dapat dilihat pada persamaan berikut. V p N p... 2.6 α V s N s Keterangan : V p = Tegangan sisi primer V s = Tegangan sisi sekunder N s = jumlah lilitan sisi sekunder a = Rasio lilitan N p = Jumlah lilitan sisi primer
Trafo pengubah tap dapat digunakan di gardu induk maupun pada gardu distribusi tergantung dari perbaikan tegangan yang diinginkan. 12 Proses perubahan tap trafo itu sendiri ada dua jenis, yaitu perubahan tap positif dan negatif. Biasanya nilai perubahan tap trafo menggunakan ukuran persen (%) dan nilainya bervariasi antara ±10 sampai ±15 tergantung dari trafo yang diinginkan. Perubahan tap positif akan meningkatkan jumlah lilitan di sisi sekunder, sedangkan tap negatif sebaliknya akan mengurangi jumlah lilitan di sisi sekunder. Trafo pengubah tap biasanya telah memiliki ukuran tap sendiri tergantung dari pabrik yang memproduksinya. Sehingga pengaturan tegangan dengan menggunakan trafo pengubah tap sifatnya terbatas dan tergantung dari jenis trafo pengubah tap yang digunakan. Semakin banyak level perubahan tap yang dimiliki oleh sebuah transformator semakin baik pula proses pengaturan tegangan yang dilakukan. Gambar 2.4. Merupakan skema trafo, dimana pengubah tap trafo berada pada sisi sekunder. Gambar 2.4. Skema Trafo Pengubah Tap Tap trafo itu sendiri dapat dilakukan secara manual maupun otomatis. Perubahan tap trafo secara manual dianggap kurang efisien sebab masih
13 membutuhkan faktor manusia yang harus mengubah posisi tap trafo setiap terjadi penurunan nilai tegangan yang cukup signifikan. Pengaturan tap trafo secara otomatis dilakukan dengan menggunakan pengatur tegangan otomatis, yang akan mengubah posisi tap trafo saat nilai tegangan keluaran trafo mengalami penurunan. Perubahan tegangan yang terdeteksi akan diumpan balik ke pengatur tegangan otomatis yang kemudian akan memerintahkan motor listrik pengubah tap trafo untuk memindahkan posisi tap trafo ke posisi yang sesuai agar tegangan keluaran trafo kembali konstan. Pengatur tegangan otomatis itu sendiri harus dijaga agar tidak terlalu peka terhadap perubahan tegangan yang terjadi. Hal ini dapat dilakukan dengan mengatur rangkaian umpan baliknya, sehingga trafo pengubah tap tidak sering bekerja tetapi cukup menjaga ketersediaannya tegangan yang baik. 2.3 Pengubah Sadapan Berbeban pada Transformator Untuk dapat mengatur tegangan sekunder jaringan distribusi dan menjaga tegangan jaringan sistem yang sampai ke trafo distribusi hingga ke konsumen industri maupun domestik masih memenuhi syarat, secara umum dan praktis transformator dilengkapi dengan suatu alat.untuk itu transformator daya yang digunakan pada sistem tenaga listrik dilengkapi dengan pengubah sadapan (Tap Changer). Pengubah sadapan adalah alat pengubah perbandingan transformator untuk mendapatkan tegangan keluaran yang diinginkan akibat perubahan tegangan pada sistem tenaga listrik. Pengubah sadapan berbeban ini dapat
mengubah perbandingan belitan dari transformatornya, sadapan dapat dibuat pada belitan tegangan tinggi meupun tegangan rendah. 14 Transformator dalam sistem distribusi umumnya dilengkapi dengan tap yang dapat diubah posisinya dalam keadaan berbeban. Tap ini kebanyakan ada di sisi tegangan tinggi dengan maksud agar arus yang diputus relatif kecil. Fungsinya adalah untuk menyesuaikan angka transformasi dari transformator agar tegangan di sisi sekundernya tetap terjaga. Pengubah sadapan berbeban (On Load Tap Changer) adalah tap changer yang dapat beroperasi dalam memindahkan posisi tap transformator bila keadaan transformator berbeban. Pengubah sadapan berbeban dapat dioperasikan secara manual atau otomatis. Untuk menjaga kesinambungan aliran daya, selama proses pemindahan posisi tap arus beban tidak boleh terganggu, dan tidak boleh ada bagaian kumparan transformator yang terhubung singkat. Karena itu sebelum posisi tap berpindah dari satu tap ke tap yang lain, tap yang akan dituju sudah harus terhubung lebih dulu. Karena adanya perbedaan tegangan antara tap yang satu dengan tap yang lain, maka diperlukan impedansi dalam bentuk resistansi atau reaktansi untuk membatasi arus putar (circulating current) yang dapat digambarkan sebagai arus hubung singkat antara kedua tap.
15 Gambar 2.5. Penempatan Pengubah Sadapan Berbeban 2.4 Pengaturan Tegangan Untuk menjaga agar tegangan sirkit distribusi masih dalam batas-batas yang diperbolehkan, maka dari itu tegangan harus dikendalikan, misalnya menaikkan tegangan sirkit bila rendah dan menurunkannya bila tnggi. Ada beberapa jalan guna memperbaiki pengaturan tegangan secara keseluruhan dan system distribusi. Cara-cara tersebut adalah : Menggunakan pengatur tegangan pada generator Memakai alat pengatur tegangan pada gardu induk Memasang kapasitor pada gardu induk Beban penyulang dibuat seimbang Memperbesar penampang penyulang Merubah penyulang phasa tunggal menjadi penyulang phasa tiga Memindahkan beban ke penyulang yang baru Membangun gardu induk dan penyulang TM yang baru
16 Menaikkan kelas tegangan penyulang TM Memakai alat pengatur tegangan pada penyulang TM Memasang kapasitor shunt pada penyulang TM Memasang kapasitor seri pada penyulang TM Trafo utama di GI nya, dilengkapi dengan sadapan berbeban yang bekerja secara otomatis terhadap setiap perubahan bebannya. Sehingga tegangan yang diinginkan dapat dicapai bila beban meningkat, alat pengatur tegangan ini menaikkan tegangan penyulang TM nya di GI, guna mengkompresi jatuh tegangan pada saluran distribusintya. Pada kasus dimana pelanggan letaknya dari gardu atau jatuh tegangan pada saluran utamanya sudah cukup besar atau melebihi dari yang diperbolehkan, maka hal ini dapat ditanggulangi baik dengan menggunakan sadapan tanpa beban dari trafo distribusinya maupun dengan tambahan alat pengatur lainnya, misalnya kapasitor yang ditempatkan sedemikian rupa pada saluran, sehingga didapatkan kenaikan tegangan yang optimum.kapasitor umumnya tidak dipasang seri pada saluran utama, dan pada GI, kapasitor hanya dipasang untuk mendapatkan faktor daya yang ekonomis. Kebanyakan instalasi kendali desainnya cukup rumit agar saklarnya dapat berfungsi sebagai saklar hubung otomatis dan tentu saja kapasitor yang tesadapan bukanlah merupakan alat pengatur tegangan dan tidak bisa dibandingkan dengan alat pengatur tegangan, tesadapani dalam hal tertentu, seperti kapasitor yang dilengkapi dengan saklar hubung otomatis, dapat menggantikan pengatur tegangan tipe sadapan konvensional, untuk mengontrol tegangan pada saluran distribusi.
17 2.4.1 Pengaturan Tegangan pada Beban Di Indonesia presentase daya listrik yang dipakai masih banyak untuk beban penerangan dan pemakaian terbesar dari penerangan listrik adalah masyarakat banyak. Adapun penerangan yang diperoleh dari lampu listrik dipengaruhi oleh perubahan tegangan sehingga yang dipakai sebagai dasar tegangan adalah tegangan nominal lampu listrik. Jadi diusahakan agar tegangan dari jaringan berada pada batas yang diperbolehkan untuk tegangan lampu listrik. 2.4.2 Pengaturan Tegangan pada Jaringan Pengaturan tegangan pada saluran banyak digunakan untuk mengatur tegangan pada penyulang, agar tegangan yang sampai ke pelanggan masih dalam batas-batas yang diijinkan. Pengaturan tegangan pada jaringan terutama untuk jaringan distribusi dalam hal ini salah satunya adalah dengan menggunakan metode trafo pengubah sadapan. Konsep yang biasa tentang fungsi transformator dalam suatu sistem daya adalah sebagai pengubah dari suatu tingkat tegangan yang lain. Hampir semua transformator mempunyai sadapan-sadapan pada kumparan untuk menyetel pebandingan transformasi, dengan mengubah nilai sadapan maka akan berpengaruh terhadap banyaknya jumlah lilitan dan besarnya tegangan. Dimana pengaturan sadapan disesuaikan dengan beban yang di butuhkan pada saat itu. 2.5 Fungsi dan Prinsip Kerja Pengubah Sadapan
18 2.6. Skema Pengubah Sadapan Berbeban Pengubah sadapan berbeban merupakan salah satu bagian utama transformator yang berfungsi untuk melayani pengaturan tegangan transformator, dengan cara memilih ratio tegangan tanpa harus melakukan pemadaman. Untuk mendapatkan range yang luas di dalam pengaturan tegangan, pada kumparan utama transformator biasanya di tambah kumparan bantu (tap winding) yang dihubungkan dengan pemilih sadapan (tap selektor) pada pengubah sadapan berbeban. Pengaturan tegangan baik sisi primer maupun sekunder dilakukan dengan cara memilih ratio tegangan transformator. Untuk memilih ratio tegangan yang dikehendaki dilakukan dengan cara mengurangi atau menambah jumlah kumparan, melalui bantuan pemilih sadapan dan saklar pengalih. Sebuah pengubah sadapan berbeban terdiri dari pemilih tap (tap selektor), sakalar pengalih (diverter switch) dan bagian-bagian pembantu (relaed auxiliaries).
19 Tabel 2.1. Proses Perpindahan Tap pada Konsep Kombinasi Selector Switch dan Diverter Switch Langkah 1 : Tap selektor genap pada posisi terminal/tap 2. (atau disebut service posisi pada tap 2) Tap selektor ganjil pada posisi terminal/tap 1. Arus beban melalui terminal 2 kontak utama diverter menuju ke titik pentanahan. (garis warna merah) Langkah 2 : Tap selektor ganjil bergerak dari terminal 1 menuju terminal 3/tap 3. Aliran arus beban masih sama dengan langkah1. Catatan : pergerakan tap selektor 1 ke tidak membawa arus beban. Langkah 3 : Tap selektor ganjil berhenti pada terminal 3/tap 3. Aliran arus beban masih sama dengan langkah1. Catatan : pergerakan tap selektor 1 ke 3 tidak membawa arus beban.
20 Langkah 4 : Tap selektor ganjil berhenti pada terminal 3/tap3. Kontak diverter bergerak menuju transisi kontak K1. Aliran arus beban melalui resistor R1 kontak K1 menuju ke titik pentanahan. Posisi ini disebut TRANSISI pada resistor R 1 dan transisi kontak K1 Langkah 5 : Tap selektor ganjil berhenti pada terminal 3/tap 3. Kontak diverter bergerak menuju ke transisi kontak K2 Kontak utama diverter menutup transisi kontak K1 dank2. Aliran arus beban melalui resistor R1,R2, transisi kontak K1 dan K2, menuju ke titik pentanahan. Posisi ini disebut SUPER POSISI Langkah 6 : Tap selektor ganjil berhenti pada terminal 3/tap 3. Kontak diverter bergerak menuju transisi kontak K2. Aliran arus beban melalui resistor R2 kontak K2 menuju ke titik pentanahan. Posisi ini disebut TRANSISI pada resistor R 2 dan transisi kontak K2
21 Langkah 7 : Tap selektor ganjil berhenti pada terminal 3/tap 3. Aliran arus beban menuju ke titik pentanahan Posisi ini disebut service posisi pada tap 3. Catatan : Pada saat perpindahan tap selector tidak terjadi arching, karena arus dan tegangan sudah diredam oleh transisi resistor pada diverterswitch Proses perpindahan tap dari langkah 1 hingga langkah 7 diperlukan waktu kurang lebih 20-30 mili second, tergantung dari type OLTC. Tabel 2.2. Proses Perpindahan Kontak pada Konsep Tap Selektor (CONTOH PERPINDAHAN TAP 2 KE TAP 3) Langkah 1 : Tap selektor pada terminal/tap 2. Kedua transisi kontak mengambang Arus beban melalui terminal 2 - kontak utama diverter - menuju ke titik pentanahan. ( garis warna merah ) Posisi ini disebut service posisi pada tap 2
22 Langkah 2 : Kontak gerak ( moving kontak ) ber gerak kearah terminal 3. Tap selektor posisi mengambang Kontak transisi K1 pada terminal/tap 2. Kontak trasisi K2 mengambang pada terminal 3. Arus beban melalui terminal 2 - transisi kontak K1 - transisi resistor R1 - titik netral. Posisi ini disebut transisi pada kontak k1 dan transisi resistor R1. Langkah 3 : Kontak gerak ( moving kontak ) ber gerak kearah terminal 3. Tap selektor posisi mengambang Kontak transisi K1 pada terminal/tap 2. Kontak transisi K2 pada terminal/tap 3 Arus beban melalui terminal 2 terminal 3 - transisi kontak K1 dan K2 - transisi resistor R1 dan R 2 - titik netral. Posisi inidisebut super posisi
23 Langkah 4 : Kontak gerak ( moving kontak ) bergerak kearah terminal 3. Tap selektor posisi mengambang Kontak transisi K1 mengambang pada terminal/tap 2. Kontak trasisi K2 pada terminal/tap 3 Arus beban melalui terminal 3 - transisi kontak K2 - transisi resistor R2 - titik netral. Posisi ini disebut transisi pada kontak K2 dan transisi resistor R2. Langkah 5 : Tap selektor pada terminal/tap 3. Kedua transisi kontak mengambang Arus beban melalui terminal 3 - kontak utama diverter - menuju ke titik pentanahan. ( garis warna merah ) Posisi ini disebut service posisi pada tap 3. Untuk dapat mengatur tegangan primer pada jaringan distribusi dan menjaga tegangan sistem yang sampai ke pelanggan industri maupun domestik yang memenuhi syarat, secara umum dan praktis transformator dilengkapi dengan suatu alat, seperti pengatur tegangan berbeban pada Gardu Induk. Untuk itu transformator utama di gardu induk yang memasok jaringan distribusi primer, dilengkapi dengan pengubah sadapan berbeban yaitu tegangan dapat diubah tanpa memutus sirkitnya. Pengubah sadapan berbeban ini dapat mengubah
24 perbandingan belitan dari transformatornya, sadapan dapat dibuat pada tegangan tinggi maupun tegangan rendah. Setiap pengubah sadapan memiliki bermacam-macam model, tujuan ini bermacam-macam menurut jumlah fasa, maksimum arus mengalir, ukuran, pemilih sadapan dan sebagainya. Sehingga pengkodean yang bertujuan untuk mengetahui kapasitas sadapan tersebut. Sebagai contoh tipe V III 350 seperti pada gambar 3.3. tipe V III 350 berarti : V III = Tipe sadapan = Jumlah fasa 350 = Maksimum arus mengalir = Terhubung delta Gambar 2.7. Pengubah Sadapan Berbeban tipe V III 350 2.6 Kompensator Saluran Trafo pengubah tap dapat dilakukan secara manual maupun otomatis. Perubahan tap trafo secara manual dianggap kurang efisien sebab masih membutuhkan faktor manusia yang harus mengubah posisi tap trafo setiap terjadi
25 penurunan nilai tegangan yang cukup signifikan. Pengaturan tap trafo secara otomatis dilakukan dengan menggunakan pengatur tegangan otomatis, yang akan mengubah posisi tap trafo saat nilai tegangan keluaran trafo mengalami penurunan. Prinsip kerjanya adalah perubahan tegangan yang terdeteksi akan di umpan balik ke pengatur tegangan otomatis yang kemudian akan memerintahkan motor listrik pengubah tap trafo untuk memindahkan posisi tap trafo ke posisi yang sesuai agar tegangan keluaran trafo kembali konstan. Pengatur tegangan otomatis itu sendri harus dijaga agar tidak terlalu peka terhadap perubahan tegangan yang terjadi. Hal ini dapat dilakukan dengan mengatur rangkaian umpan baliknya, sehingga trafo pengubah tap tidak sering bekerja tetapi cukup menjaga tersedianya tegangan yang baik.