BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Transformator Tenaga Transformator tenaga adalah merupakan suatu peralatan listrik statis yang berfungsi untuk menyalurkan tenaga / daya listrik arus bolak-balik dari tegangan rendah ke tegangan tinggi atau sebaliknya pada frekuensi yang konstan, berdasarkan prinsip elektromagnetis. Penggunaan transformator dalam sistim tenaga dapat di sesuaikan tegangannya sesuai dengan keperluannya. Dalam bidang tenaga listrik pemakaian transformator dikelompokkan menjadi: a. Transformator daya (Tenaga) b. Transformator distribusi c. Transformator pengukuran Transformator Tenaga terdiri dari beberapa bagian : 1. Inti Besi, berfungsi untuk mempermudah jalan fluksi yang di timbulkan oleh arus listrik yang melalui kumparan. Bahan inti terbuat dari lempengan-lempengan besi tipis yang berisolasi untuk mengurangi panas. 2. Minyak Trafo, Sebagian trafo Tenaga kumparan-kumparan dan intinya di rendam dalam minyak trafo terutama trafo-trafo tenaga yang berkapasitas besar, karena minyak trafo mempunyai sifat sebagai media pemindah panas (disirkulasi) dan bersifat pula sebagai isolasi (daya tegangan tembus tinggi), sehingga minyak trafo tersebut berfungsi sebagai media pendingin dari isolasi. 3. Bushing, Hubungan antara kumparan trafo ke jaringan luar melalui sebuah bushing yaitu sebuah konduktor yang di selubungi oleh isolator
yang sekaligus berfungsi sebagai penyekat antara konduktor tersebut dengan tangki trafo. 4. Tangki Minyak, Pada umumnya bagian-bagian dari trafo yang terendam minyak trafo berada (di tempatkan) dalam tangki, untuk menampung pemuaian minyak trafo. 5. Kumparan Trafo, Beberapa lilitan kawat yang berisolasi membentuk kumparan-kumparan tersebut di isolasi baik terhadap inti besi maupun terhadap kumparan lain dengan isolasi padat seperti karton, pertinax dan lain-lain. Umumnya pada trafo terdapat kumparan primer dan sekunder. Bila kumparan primer dihubungkan dengan tegangan / arus bolakbalik maka pada kumparan tersebut akan timbul fluksi. Fluksi ini akan menginduksikan tegangan dan bila pada kumparan sekunder di hubungkan pada beban maka akan menghasilkan arus pada kumparan ini. Jadi kumparan merupakan sebagai alat transformasi tegangan dan arus. 2.2. Hubungan Belitan Pada Transformator Tenaga 1. Hubungan Bintang (Y y) Pada hubungan bintang tiga ujung bersamaan dari ketiga kumparan di hubungkan pada satu titik bintang. Simbol untuk sisi tegangan tingginya adalah Y dengan huruf besar (kapital), dan untuk sisi tegangan rendahnya adalah y dengan huruf kecil
U V W Gambar 2.1. Lilitan transformator hubungan bintang 2. Hubungan segitiga (D d) Dalam hubungan segitiga tiap ujung kumparan di sambung pada ujung kumparannya, sehingga terbentuk semacam segi tiga (0). Simbol D untuk sisi tegangan tinggi dan simbol D untuk sisi tegangan rendah Gambar 2.2. Lilitan Transformator hubungan segitiga Transformator Daya yang di gunakan pada pembangkit di PLTGU Sektor Belawan berkapasitas 172 MVA dengan tegangan pada sisi primer 10,5 kv dan pada sisi sekunder 155 kv dan tegangan impedansi 12 % dengan keterangan belitan Ynd 11. Gambar 2.3. Transformator tenaga berkapasitas 172 MVA
2.3. Pengertian Rele Proteksi Pengertian rele proteksi secara umum adalah suatu rele yang di gunakan untuk mengamankan peralatan-peralatan listrik terhadap kondisi abnormal (adanya gangguan). Rele proteksi adalah sebuah alat yang bekerja secara otomatis untuk mengatur atau menghubungkan suatu rangkaian listrik (rangkaian trip atau alarm) akibat adanya perubahan rangkaian yang lain. Istilah rele ini paling sering dipakai pada rangkaian listrik, oleh karena itu sering di sebut juga dengan rele listrik. Menurut pembagian lokasi pengaman rele proteksi di bagi atas dua kelompok yaitu : 1. Rele proteksi pembangkit 2. Rele proteksi jala jala atau distribusi Rele Proteksi Pembangkit adalah suatu rele proteksi yang di gunakan untuk mengamankan peralatan-peralatan listrik yang ada di pembangkit seperti Generator, Transformator Utama, Transformator bantu, dan pada motor-motor listrik pemakaian sendiri di suatu pembangkit, baik itu di PLTU, PLTG, PLTGU, PLTD, PLTA, dan lain-lain. Ada dua bentuk rele proteksi yang pokok yaitu elektromagnetik dan semi konduktor (solid state). Untuk tujuan-tujuan khusus misalnya proteksi over load di gunakan suatu proteksi termal bimetal. Bentuk-bentuk dasar tipe elektromagnetik antara lain piringan induksi, mangkok induksi, armatur berengsel dan aksi plunger. Armatur berengsel dan tipe plunger adalah tipe yang paling sederhana dan bersandar pada penarikan armatur atau plunger akibat suatu gaya elektromagnetik yang dapat di aliri tegangan AC dan DC.
Bentuk relai semi konduktor (solid state relay) bekerja sangat cepat, tidak mempunyai bagian-bagian yang bergerak dan dapat di andalkan. Relai elektromagnetik sering mengalami korosi, pemantulan kontak dan sebagainya yang mengaruskan pemeliharaan secara teratur. Karena Tugas Akhir ini hanya membahas masalah rele proteksi pada pembangkit, maka rele proteksi untuk jalajala atau distribusi tidak di bicarakan. 2.3.1. Fungsi dan Peranan Rele Proteksi Nilai investasi peralatan listrik pada suatu pembangkit listrik sangat besar dananya. Diharapkan kelangsungan operasi dan efisiensi peralatan tersebut selalu dalam keadaan stabil agar kerugian material dan gangguan pelayanan listrik dapat ditekan sekecil mungkin. Melihat fungsi dan peranan relai proteksi pada pembangkit maka dapat dikelompokkan menjadi : a. Memberikan sinyal alarm atau melepaskan pemutus tenaga (circuit breaker) dengan tujuan mengisolir gangguan atau kondisi tidak normal seperti adanya : beban lebih, tegangan lebih, kenaikan suhu, hubung singkat dan lain-lain. b. Melepaskan atau mentripkan peraiatan yang tidak normal untuk mencegah timbulnya kerusakan. Misalnya proteksi beban lebih berfungsi mengamankan peralatan listrik dan mencegah kerusakan isolasi. c. Melepaskan atau mentripkan peralatan yang terganggu secara cepat dengan tujuan mengurangi kerusakan yang lebih berat. Misalnya bila suatu mesin listrik secara cepat dilepas setelah terjadinya gangguan pada belitan, maka hanya sebagian kumparan saja yang mengalamai kerusakan.
Tetapi apabila gangguan terjadi secara terus menerus maka kemungkinan belitan akan rusak dan memerlukan perbaikan total. d. Melokalisir kemungkinan dampak atau akibat gangguan dengan peralatan yang terganggu dapat menyebabkan gangguan pada peralatan lain yang berada pada sistem. e. Melepaskan peralatan atau bagian yang terganggu secara cepat dengan maksud menjaga stabilitas sistem. Sehingga dapat disimpulkan bahwa pembagian fungsi dan peranan rele proteksi dikelompokkan lagi menjadi : 1. Mencegah kerusakan. 2. Membatasi kerusakan. 3. Mencegah meluasnya gangguan sistem. 2.3.2. Keuntungan Rele Proteksi Adapun keuntungan menggunakan rele proteksi adalah : 1. Rele-rele digunakan untuk memutuskan suplay pada suatu bagian power sistem yang mengalami gangguan atau operasi tidak normal. Jadi dapat dikatakan bahwa rele memberikan signal pada circuit breaker untuk segera trip atau mengisolasikan bagian yang terganggu. 2. Rele dapat menunjukkan indikasi tipe gangguan yang terjadi, lokasi gangguan sehingga dapat membantu untuk mencari gangguan dan mempermudah perbaikan.
2.3.3. Klasifikasi Rele Proteksi Klasifikasi rele proteksi dapat di lihat dari beberapa tipe konstruksinya yaitu : 1. Konstruksi rele tipe HINGED ARMATUR to Trip Circuit Gambar 2.4. Konstruksi rele tipe Hinged Armatur Bila ada arus i mengalir, inti besi akan menjadi magnit, lengan gerak akan tertarik dan kontak trip akan menutup. 2. Konstruksi rele tipe PLUNGER Gambar 2.5. Konstruksi rele tipe Plunger Bila ada arus I mengalir, inti magnet (plunger) A akan tertarik akibat adanya medan magnit yang menyebabkan kontak menutup.
3. Konstruksi rele tipe "POLARISED MOVING IRON" Gambar 2.6. Konstruksi rele tipe Polarised Moving Iron Medan magnet yang timbul pada inti kumparan akibat arus i yang mengalir harus senama / searah dengan magnit permanen yang ada untuk menyebabkan kontak menutup. Kontak menutup apabila arah arus di balik. 4. Konstruksi rele tipe TUAS PENGIMBANG (Balance Beam) Gambar 2.7. Konstruksi rele tipe Tuas pengimbang Batang (beam) A akan tetap pada posisi horizontal, kecuali gaya yang di akibatkan oleh arus kumparan kerja lebih besar dari gaya yang di akibatkan oleh arus kumparan penahan yang menyebabkan kontak trip menutup. 5. Konstruksi rele tipe "Kumparan Putar Magnit Tetap. Gambar 2.8. Konstruksi rele tipe kumparan putar magnit tetap
Gaya gerak timbul akibat adanya interaksi antara medan magnit permanen dan medan magnit pada kumparan yang menyebabkan kontak menutup. 6. Konstruksi Proteksi Differensial Proteksi ini bekerja berdasarkan prinsip membandingkan besar dan phasa arus yang masuk dengan yang keluar dari sirkit yg di proteksi.pada kedua ujung sirkit dipasang CT yang mempunyai perbandingan belitan yang sama,dan sekunder nya di hubungkan sedemikian,sehingga pada keadaan normal tidak akan aa perbedaan.daan rele tidak bekerja. 2.3.4. Syarat-syarat Rele Proteksi Untuk melaksanakan tujuan atau fungsi dari suatu proteksi, maka rele proteksi harus memenuhi persyaratan sebagai berikut : 1) Keterandalan (reliability) Pada kondisi normal atau tidak ada gangguan, mungkin selam berbulan - bulan atau lebih rele tidak bekerja. Seandainya suatu saat terjadi gangguan maka
rele tidak boleh gagal bekerja dalam mengatasi gangguan tersebut. Kegagalan kerja rele dapat mengakibatkan alat yang diamankan rusak berat atau gangguannya meluas sehingga daerah yang mengalami pemadaman semakin luas.rele tidak boleh gagal kerja, artinya rele yang seharusnya tidak bekerja, tetapi bekerja. Hal ini menimbulkan pemadaman yang tidak seharusnya dan menyulitkan analisa gangguan yang terjadi. Keandalan rele pengaman di tentukan dari rancangan, pengerjaan, beban yang digunakan, dan perawatan. 2. Selektivitas (selectivity) Selektivitas berarti rele harus mempunyai daya beda (discrimination) terhadap bagian yang terganggu, sehingga mampu dengan tepat memilih bagian dari sistem tenaga listrik yang terkena gangguan. Kemudian rele bertugas mengamankan peralatan atau bagian sistem dalam jangkauan pengamanannya. Tugas rele untuk mendeteksi adanya gangguan yang terjadi pada daerah dan pengamanannya dan memberikan perintah untuk membuka pemutus tenaga dan memisahkan bagian dari sistem yang terganggu. Letak pemutus tenaga sedemikian rupa sehingga setiap bagian dari sistem dapat dipisahkan. Dengan demikian bagian sistem lainnya yang tidak terganggu jangan sampai dilepas dan masih beroperasi secara normal, sehingga tidak terjadi pemutus pelayanan. Jika terjadi pemutusan atau pemadaman hanya terbatas pada daerah yang terganggu 3) Sensitivitas (sensitivity) Rele harusnya mempunyai kepekaan yang tinggi terhadap besaran minimal (kritis) sebagaimana direncanakan. Rele harus dapat bekerja pada
awal terjadinya gangguan. Oleh karena itu, gangguan lebih mudah diatasi pada awal kejadian. Hal ini memberikan keuntungan dimana kerusakan peralatan yang harus diamankan menjadi kecil. Namun demikian rele harus stabil, artinya: a.rele harus dapat membedakan antara arus gangguan atau arus beban maksimum. b.pada saat pemasukan trafo daya, rele tidak boleh bekerja karena adanya arus inrush, yang besarnya seperti gangguan, yaitu 3 sampai 5 kali arus beban maksimum c.rele harus dapat membedakan adanya gangguan atau ayunan beban. 4) Kecepatan kerja Rele pengaman harus dapat bekerja dengan cepat jika ada gangguan, misalnya isolasi bocor akibat adanya gangguan tegangan lebih terlalu lama sehingga peralatan listrik yang diamankan dapat mengalami kerusakan. Pada sistem yang besar atau luas, kecepatan kerja rele pengaman mutlak diperlukan karena untuk menjaga kestabilan sistem agar tidak terganggu. 5) Ekonomis Satu hal penting yang harus diperhatikan sebagai persyaratan rele pengaman adalah masalah harga atau biaya. Rele tidak akan diaplikasikan dalam sistem tenaga listrik jika harganya mahal. Persyaratan reabilitas, sensitivitas, selektivitas, dan kecepatan kerja rele hendaknya tidak menyebabkan harga rele menjadi mahal.pada dasarnya sistem perlindungan arus lebih yang digunakan pada saluran distribusi maupun pada saluran transmisi tidak berdiri sendiri artinya
dalam pengoperasiannya, dibantu oleh rele lain, 2.4. Jenis Gangguan Pada Transformator Tenaga 2.4. l. Gangguan dalam (Internal Fault) Internal Fault adalah gangguan yang bersumber dari dalam transformator itu sendiri. Gangguan ini dapat diklasifikasikan sebagai berikut : 1. Gangguan Awal Gangguan ini sering disebut gangguan awal, karena berawal dari gangguan yang kecil namun kemudian berkembang menjadi gangguan berat. Dimana gangguan ini di sebabkan oleh : a.kendornya baut-baut penjepit inti dan pada terminal konduktor. b.gangguan pada inti besi akibat kerusakan laminasi isolasi. c.gangguan pada terminal bushing akibat adanya kontaminasi keretakan, penuaan, dan lain-lain. d.adanya arus sirkulasi yang tidak di kehendaki pada transformator yang di paralel. 2. Gangguan Hubung singkat di dalam transformator misalnya hubung singkat diantara gulungan belitan tegangan tinggi atau rendah. 2.4.2. Through Fault. Gangguan ini terjadi di luar transformator dan dapat di klasifikasikan sebagai berikut : 1.Gangguan diluar (External Fault)
Gangguan hubung singkat antara fasa atau gangguan fasa ke tanah di Iuar transformator, misalnya di busbar atau di sisi penyulang tegangan menengah. Arus gangguan ini cukup besar dan dapat di deteksi. 1. Beban lebih (Over load) Transformator tenaga dapat beroperasi secara kontinu pada beban nominal. Bila beban lebih besar dari beban nominal, maka transformator akan berbeban lebih, akan menimbulkan arus lebih yang mengakibatkan pemanasan lebih. Ini akan menurunkan kemampuan isolasi. 2.4.3. Arus Inrush. Pada saat tranfomator dialiri arus untuk pertama kali maka mengalir lah arus magnetisasi atau arus eksitasi.sementara itu rele differensial merasakan arus inrush sebagai salah satu jenis arus gangguan dimana arus inrush ini dapat mencapai puncak nya segera 8 hingga 30dari pada muatan penuh. 2.5. Langkah-langkah Dalam Mengurangi Pengaruh Gangguan Langkah-langkah dalam mengurangi pengaruh gangguan dapat di lakukan dengan cara sebagai berikut : 1. Mengurangi Akibat Gangguan Membatasi arus hubung singkat dengan memakai peralatan yang mampu menanggulangi terhadap terjadinya arus hubung singkat. 2. Merencanakan agar bagian sistem yang terganggu dipisahkan dari sistem, sehingga tidak mengganggu operasi dari sistem secara keseluruhan atau penyaluran tenaga listrik ke konsumen tidak terganggu. Hal ini dapat dilakukan dengan :
a. Memakai saluran ganda atau saluran yang membentuk ring. b. Memakai penutup balik otomatis. c. Memakai generator cadangan putar atau pembangkit siap pakai 3. Mengkontrol Arus Inrush. Faktor-faktor yang perlu diperhatikan dalam mengkontrol arus inrush 1.Ukuran dari bank transformator. 2. Besar nya sumber yang masuk 3. Resisitansi dari sumber yang masuk pada transformator 4. Jenis besi dari inti transfomator dan intensitas kejenuhan nya 5. Tingkat fluksi residual dari bank 6. Bagaimana jika bank dialiri arus Tujuan Sistem Proteksi Pada Transformator Tenaga Proteksi Transformator Tenaga adalah suatu sistem pengamanan yang di lakukan pada transformator tenaga terhadap gangguan yang terjadi pada daerah pengaman transformator tenaga. Tujuan dari sistem proteksi transformator tenaga adalah : Mencegah kerusakan transformator tenaga karena gangguan yang terjadi dalam petak transformator tenaga. Untuk dapat berpartisipasi dalam penyelenggaraan selektivitas pengaman sistem sehingga hanya melokalisasi gangguan yang terjadi di daerah pengamanan transformator saja. Memberikan pengamanan cadangan (back up protection) untuk seksi berikutnya.