BAB I
TRANSFORMATOR DAYA
KOMPETENSI
Kemampuan untuk memahami setiap bagian yang ada pada transformator daya dari sisi konstruksi dan fungsi, standar penulisan dan penandaan serta rugi rugi daya yang terjadi pada transformator.
SASARAN PEMBELAJARAN
Setelah mempelajari materi ini mahasiswa diharapkan dapat : 1. Memahami fungsi transformator daya
2. Memahami fungsi setiap bagian yang ada pada transformator daya 3. Menjelaskan proses terjadinya rugi rugi daya pada ransformator daya 4. Menjelaskan cara kerja peralatan bantu tarnsformator daya, yaitu
sistem pendinginan, sistem pernapasan dan tap changer
METODE PEMBELAJARAN
Metode pembelajaran pada modul ini menggunakan metode kuliah
(ceramah) dan Diskusi kelompok (Tanya jawab)
I.1. PENDAHULUAN
Transformator daya atauTrafo daya adalah suatu peralatan listrik yang termasuk dalam klasifikasi mesin listrik statis(karena sekundernya tidak berputar),yang berfungsimenyalurkan tenaga/daya listrik dari tegangan tinggi ke tegangan rendah atau sebaliknyamenggunakan prinsip induksi elektromagnetik.
2 I.2. KLASIFIKASI TRANSFORMATOR DAYA
Transformator daya dapat di klasifikasikan dalam beberapa cara, yaitu:
1. Menurut Pemasangan:
• Trnasformator pasangan dalam • Transformator pasangan luar
2. Menurut Fungsi dan Pemakaian:
• Transformator mesin (untuk mesin-mesin listrik) • Transformator Gardu Induk
• Transformator Distribusi
3. Menurut Kapasitas dan tegangan Kerja Transformator besar
Transformator sedang Transformator kecil.
Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 1.
Gambar 1. Contoh transformator 3 Phasa
3 Pada gambar 2, diperlihatkan bagian-bagian penting dari trafo daya kapasitas sedang dengan tegangan 110/6-10 kV
Gambar 2.Trafo daya 110/6-10 kV dengan kapasitas medium
Keterangan gambar :
1. Tangki (Tank) 8. Explosion Vent Pipe (pipa pelepasan ledakan)
2. Radiator 9/10. Bushing
3. Inti (Core) 11. Baut Penjepit(Clamping balt)
4. Kumparan (winding) 12. Pipe Connection (pipa pengapit)
5. Konservator 13. Thermometer
6. Indikator minyak(Oil Gauge)14. Roller Mounted Truck (bantalan yg bergerak)
4 Transformator biasanya berbentuk oval bila dilihat dari sisi konstruksi, tangkinya terbuat dari plat baja dengan ketebalan 5-12 mm, bagian dasar dan penutup (Cover) tangkinya terbuat dari plat baja yang lebih tebal.
Kumparandililit pada inti dan direndam dalam minyak trafo,ujung-ujung kumparan terhubung dengan rangkaian luar melalui bushing.Tangkiberfungsi menampung minyak (oil) berupa minyak mineral yang berasal dari jenis petroleum.Minyak trafo selain berfungsi sebagai media transfer panas (pendingin) yang berasal dari kumparan dan inti,juga sebagai isolasi antar bagian yang mengalirkan arus dengan tangki dan tanah.
Radiatorditempatkan pada tangki melalui pipa pengapit untuk menambah luas permukaan tangki, sedangkan Konservatormerupakan tangki pemeliharaan untuk menampung pemuaian minyak trafo, dimana volumenya sekitar 8% -10% dari volume minyak dalam tangki trafo, dilengkapi dengan Oil Gauge(pengukur permukaan minyak) yang berbentuk gauge glass (kaca ukur).
Jika terjadi hubung singkat pada trafo, maka minyak akan menghasilkan gas yang cukup besar, membuat temperatur dalam tangki akan naik secara tiba-tiba yang dapat membahayakan tangki. Untuk itu transformator dilengkapi pula dengan Explosiun Vent Pipeyang dijulurkan naik pada cover tangki, yang bagian atasnya ditutup dengan thin glass disk (piringan kaca tipis). Pada keadaan dimana terjadi sentakan tekanan yang tiba-tiba dalam trafo, maka minyakakan bebas naik melalui pipa tersebut dan kemudian memecahkan piringan kaca tipis.
5 Mounted Truck,agar trafo bebas bergerak/berpindah untuk keperluan perbaikan dan overhaul.
I.3. KOMPONEN TRANSFORMATOR DAN FUNGSINYA
Sebuah transformator dapat dibagi menjadi beberapa bagian, yang terdiri atas :
a. Bagian utama transformator b. Peralatan Bantu
c. Peralatan Proteksi
I.3.1. Bagian utama transformator, terdiri dari: 1.Inti besi
Inti besi berfungsi untuk mempermudah jalannya fluks, yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melalui kumparan.terbuat dari lempengan-lempengan baja tipis yang saling diisolasi, untuk mengurangi rugi rugi daya (dalam bentuk thermal) yang ditimbulkan oleh adanya rugi rugi hysteresis dan rugi rugi akibat arus pusar (eddy current).
2.Kumparan transformator
Beberapa lilitan kawat pada inti besi membentuk suatu kumparan, dan kumparan tersebut diisolasi, baik terhadap inti besi maupun terhadap kumparan lain dengan menggunakan isolasi padat seperti karton, pertinax dan lain-lain.Pada transformator terdapat kumparan primer, kumparan sekunderdan kumparan tertier.
3. Minyak transformator
Sebagian besar dari transformator tenaga, kumparan-kumparan dan intinya direndam dalam minyak transformator, terutama pada transformator-transformatordaya yang berkapasitas besar. Minyak transformator selain berfungsi sebagai media pemindah panas (pendingin),juga berfungsisebagai media isolasi (memiliki daya tegangan tembus tinggi).
6 Tabel 1. Spesifikasi Minyak Isolasi Baru
Untuk minyak isolasi yang sudah terpakai, transformator dengankapasitas >1 MVA atau bertegangan >30 kV, spesifikasi yang dipersyaratkan seperti ditunjukkan pada Tabel 2.
7 4.Bushing
Hubungan antara kumparan transformator dan jaringan luar dilakukan melalui bushing transformator, yaitu sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator, yang berfungsi sebagai penyekat antara konduktor tersebut dengan tangki transformator.
Gambar 3. Bushing 5. Tangki dan konservator
Pada umumnya bagian-bagian dari transformator yang terendam minyak transformator, berada atau ditempatkan di dalam tangki, dan untuk menampung pemuaian pada minyak transformator, maka tangki dilengkapi dengan sebuah konservator. Terdapat beberapa jenis tangki, diantaranya adalah:
8 b. Jenis tangki Conventional Beradiator, Jenis tangki terdiri dari
badan tangki dan tutup yang terbuat dari mild steel plate (plat baja bercanai panas) ditekuk dan dilas sesuai dimensi yang diinginkan, sedang radiator jenis panel terbuat dari pelat baja bercanai dingin (cold rolled steel sheets). Transformator ini umumnya dilengkapi dengan konservator dan digunakan untuk 25.000 kVA, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 4.
c. Hermatically Sealed Tank With N2 Cushined, Tipe tangki ini sama dengan jenis conventional, tetapi di atas permukaan minyak terdapat gas nitrogen untuk mencegah kontak antara minyak dengan udara luar, sebagaimana ditunjukkan pada gambar 5.
9 Gambar 5. Transformator 5 MVA dengan oil conservator dan
Transformator 1250 kVA hermetic shell
I.3.2. Peralatan Bantu 1.Sistem Pendingin
Energy yang hilang dalam bentuk panas yang dihasilkan oleh inti besi dan kumparan, dapat menyebabkan temperatur yang berlebihan dalam tangki dan merusak isolasi disekitar conductor.Untuk itu dibutuhkan pendinginan transformator. Metode pendinginan harus mampu mempertahankan temperatur rata-rata yang cukup rendah dan mampu mencegah timbulnya temperature yang berlebihan pada setiap bagian trafo serta terbentuknya “hot spots”, dengan memberikan ruang sirkulasi yang bebas pada minyak
10 Gambar 6. Pendingan pada transformator
Sistem pendinginan transformator dapat dibagi menurut jenis trafo, yaitu:
1. Oil Cooling (Oil Immersed Transformator) 2. Air Cooling (Dry Tipe Transformator)
Metode pendinginan untuk oil immersed transformator dapat berbentuk:
a. Oil Natural Cooling
b. Oil Natural-Air Blast Cooling c. Water-Oil Cooling
11 Pada Oil Natural-Air Blast Cooling, Untuktrafo dengan kapasitas besar penggunaan natural oil cooling tidak efisien, untuk itu sistem pendinginannya dikombinasi dengan forced air (udara paksa) atau air blast cooling. Pada air blast cooling, tube bank radiator didinginkan secara paksa melalui hembusan udara menggunakan motor-fan yang ditempatkan dalam ruang radiator tube.
Kipas-kipas tersebut dapat di switch out jika temperature ambient turun atau beban pada transformator turun, selain itu untuk transformator dengan kapasitas besar, kipas-kipas tersebut dapat dikontrol secara otomatis menggunakan relay.
Air blast cooling dapat dioperasikan sebagai natural oil cooling tanpa air blast, jika beban sama dengan atau lebih rendah dari 70% dari rating air blast, demikian pula ketika beban yang dipikul berada antara 70-100.Dalam hal ini temperature minyak tidak melebihi 55 C. Secara detail macam-macam sistem pendinginan dapat dilihat pada tabel 3.
Tabel 3. Tipe Pendinginan Transformator
Keterangan:
12 2.Sistem pernapasan
Karena pengaruh naik turunnya beban trafo dan suhu udara luar, maka suhu minyak dalam trafo akan berubah mengikuti keadaan tersebut. Bila suhu minyak tinggi, maka minyak akan memuai dan mendesak udara di atas permukaan minyak keluar dari dalam tangki, sebaliknya apabila suhu minyak turun, maka minyak menyusut dan udara akan masuk dan mengisi ruang di atas permukaan minyak. Proses keluar masuknya udara ke dalam tangki disebut sebagai pernapasan trafo.
Pernapasan trafo,menyebabkan permukaan minyak akan selalu bersinggungan dengan udara luar. Udara luar yang lembab akan memperburuk isolasi atau menurunkan nilai tegangan tembus minyak. Untuk mencegah masuknya udara lembab ke dalam minyak, maka pada ujung pipa penghubung udara luar dilengkapi sebuah tabung kaca yang berisi Kristal zat higroskopis (bahan yang dapat menyerap kadar air yang ada dalam udara dan dapat berubah warna). Tabung kaca ini biasanya terdapat pada transformator dengan kapasitas besar, sebagaimana ditunjukkan pada gambar 7.
Gambar 7. Tabung kaca berisi Kristal zat higroskopis
3.Tap Changer
13 jaringan primer yang berubah-ubah. Tap changer yang hanya dapat beroperasi untuk memindahkan tap trafo dalam keadaan tanpa beban disebut OFF Load tap Changer, dimana perubahan tapnya bersifat manual. Sedangkan tap changer yang beroperasi dalam keadaan berbeban disebut dengan ON Load Tap Changer (OLTC) dan dapat beroperasi secara manual ataupun otomatis.
Ada dua cara mengubah tegangan transformator dalam keadaan berbeban:
a. Memasang pengatur tegangan berbeban (On Load Voltage Regulator) secara seri dan terpisah dari transformator utama.
b. Memasang transformator dengan pengubah tap (On Load Tap Changer)
Lebih jelasnya, dapat dilihat pada gambar 8.
Gambar 8. Cara mengubah tegangan transformator
kekurangan dari on load Voltage regulator, keandalannya rendah dan harus selalu diperiksa dan dipelihara. Dengan membaiknya keandalan dari on load tap changer, maka kebanyakan dipakai adalah on Load tap changer sekaligus sebagai pengganti dari on load Voltage regulator
On Load Tap Changer terdiri dari :
a. Pemilih tap (Tap Selector/Selector Switch) b. Saklar Peng-alih (Diverter Switch)
14 Lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 6.keadaan (a) adalah keadaan kerja normal, dimana arus mengalir melalui kumparan dengan posisi tap ditengah, kedua bagian kumparan di kedua sisi tap tergulung pada inti besi yang identik, sehingga fluks magnetnya sama besar dan saling meniadakan, dan sudah barang tentu impedansi reaktornya mendekati 0.
Keadaan (b) saklar peng-alih membuka, arus mengalir pada satu sisi kumparan, Keadaan (c) Pemilih tap berpindah pada tap berikutnya, Keadaan (d) Saklar peng-alih menutup kembali, 2 tap yang berbeda saling terhubung, dan arus sirkulasi karena adanya beda tegangan antara kedua tap kemudian dibatasi oleh reactor, keadaan (e) dan (f) saklar peng-alih dan pemilih tap bekerja pada sisi tap yang lain, Keadaan (g) pemindahan pada satu tap dianggap selesai
Gambar 8.Cara kerja OLTC jenis reactor
15 Gambar 9.Cara kerja OLTC jenis Tahanan
Untuk jenis 6 tahanan, fluktuasi tegangan pada waktu perpindahan tap dibatasi dan tugas buka-tutup dari saklar peng-alih diperingan.
Gambar 10.OLTC jenis 6 Tahanan reactor
Adapun hubungan belitan dan tap changer dapat dilihat pada gambar 11.
Gambar 11. Hubungan belitan dan tap changer
16 berbeban dan dipasang di sisi primer. Sedangkan transformator penaik tegangan di pembangkit atau pada trafo kapasitas kecil, umumnya menggunakan tap changer yang dioperasikan hanya pada saat trafo tenaga tanpa beban.
Untuk meredam panas pada saat proses perpindahan tap, maka OLTC direndam di dalam minyak isolasi yang biasanya terpisah dengan minyak isolasi trafo. Hal ini disebabkan karena proses perpindahan hubungan tap di dalam minyak cendrung menyebabkan fenomena elektris, mekanis, kimia dan panas, membuat minyak isolasi OLTC kualitasnya akan cepat menurun. tergantung dari jumlah kerjanya dan adanya kelainan di dalam OLTC.
4.Beberapa Masalah pada tap Changer
Terdapat berbagai persoalan yang timbul sehubungan dengan pemakaian pengubah tap, yaitu:
a. Saklar peng-alih yang melaksanakan tugas perpindahan hubungan (Switching over) dalam minyak, menyebabkan minyak cepat memburuk. Untuk itu minyak tap changer dipisahkan dari minyak transformator daya
b. Seringnya saklar pengalih bekerja, maka keausan kontak memerlukan perhatian, dan memerlukan penggantian, namun penggantian kontak cukup sekali dalam beberapa tahun. Untuk itu diperlukan pengujian mekanis dan pengujian elektris dari keadaan minyak
5.Faktor Design Trafo
17 keduanya. Adapun harga standard dari design trafo dapat dilihat pada tabel. Pada umumnya berat transformator kapasitas kecil sebanding
dengan pangkat dari kapasitasnya.Adapun keadaan sebenarnya dapat
dilihat pada gambar. Sedangkan untuk kapasitas kecil, beratnya sebanding dengan pangkat 0,6-0,65 dari kapasitasnya.
6.Indikator
Untuk mengawasi selama transformator beroperasi, maka perlu adanya indicator yang dipasang pada transformator. Indikator tersebut adalah sebagai berikut:
• indikator suhu minyak • indikator permukaan minyak • indikator sistem pendingin
• indikator kedudukan tap, dan sebagainya.
I.3.3. Peralatan Proteksi 1. Relai Bucholz
Adalah relai yang berfungsi mendeteksi dan mengamankan terhadap gangguan transformator yang menimbulkan gas. Timbulnya gas dapat diakibatkan oleh beberapa hal, diantaranya adalah:
a. Hubung singkat antara lilitan pada atau dalam phasa b. Hubung singkat antara phasa
c. Hubung singkat antara phasa dan tanah d. Busur api listrik antar laminasi
e. Busur api listrik karena kontak yang kurang baik 2.Pengaman tekanan lebih
18 3.Relai tekanan lebih
Relai ini berfungsi hamper sama seperti relai bucholz. Fungsinya adalah mengamankan terhadap gangguan didalam transformator. Bedanya relai ini hanya bekerja oleh kenaikan tekanan gas yang tiba tiba dan langsung mentripkan CB
4.Relai Diferensial
Berfungsi mengamankan transformator terhadap gangguan didalam transformator, antara lain kejadian flas over antara kumparan atau kumparan dengan tangki atau belitan dengan belitan didalam kumparan atau pun beda kumparan
5.Relai arus Lebih 6.Relai tangki tanah 7.Relai hubung tanah 8.Relai thermis
I.4. PENULISAN SIMBOL DAN PENANDAAN TRANSFORMATOR 1.4.1. Menurutstandard ANSI :
1.Tiga (3) simbol utama yang sering digunakan pada transformator yaitu :
a. Simbol Dash (-), digunakan untuk menyatakan tegangan pada belitan yang berbeda.
19 1.4.2. Penandaan Terminal Trafo (Terminal Marking)
Terminal marking adalah titik-titik dimana rangkaian elektrik eksternal dihubungkan.
1. Menurut standard NEMA dan ASA bahwa:
a. Belitan tegangan tinggi ditandai dengan huruf HV atau V b. Belitan tegangan rendah ditandai dengan huruf LV atau x
Bila kumparannya lebih dari dua, menggunakan tanda x,y dan z, maka Pada trafo 3 phasa, H1 ditempatkan pada sisi kanan ketika posisi kita berada pada sisi tegangan tinggi, dan H2, H3 ditempatkan secara berurutan dari kanan ke kiri, sedangkan terminal x1 berada pada sisi kiri, ketika posisi kita berada pada sisi tegangan rendah, diikuti oleh x2, x3 secara berurutan.
2. Polaritas Trafo
Adalah petunjuk arah arus yang mengalir melalui terminal tegangan tinggi, berkenaan dengan arah arus yang mengalir pada terminal tegangan rendah pada setiap saat atau arah relatif dari tegangan induksi antar terminal tegangan tinggi dan terminal tegangan rendah.Polaritas trafo 1 phasa dapat berupa:
Polaritas Additif, bila tanda H1 dan X1 penempatannya
berlawanan secara diagonal
Polaritas subtractive, bila tanda H1 dan X1 saling sejajar
Polaritas trafo dapat pula dikenali dengan melakukan pengujian sederhana.Menurut standar ASA, bahwa Trafo distribusi 1phasa dengan kapasitas daya hingga 200 KVA yang dioperasikan pada sistem tegangan tinggi hingga 8660 V, mempunyai polaritas additive, selain dari itu berpolaritas subtractive. Pengenalan jenis polaritas dari trafo 1 phasa, sangat penting berkenaan dengan paralelisasi dan hubungan trafo 3 phasa. I.5. Rugi-rugi daya pada transformator
Rugi-rugi daya pada transformator, terdiri dari : a. Rugi-rugi belitan ( Resistansi dan reaktansi )
20 bocor.Rugi-rugi ini terdapat baik pada sisi primer maupun pada sisi sekunder.
b. Rugi-rugi inti (Hysteresis dan eddy current)
Hysteresis timbul oleh sifat bahan magnetik yang membentuk inti (core), untuk itu bahan inti menggunakan bahan ferromagnetik.Sedangkan Eddy Current timbul oleh adanya arus pusar, akibatnya konstruksi inti dibuat dalam bentuk laminasi-laminasi (lembaran-lembaran tipis) yang saling diisolasi untuk memperpanjang jalur arus pusar.
I.5.1. Rugi-Rugi Eddy Current (arus pusar)
Bila inti magnetik dialiri fluks bolak-balik (time varying Flux), maka sesuai dengan teori Faradayakan menghasilkan tegangan induksi sepanjang inti, dan mengingat inti merupakan sebuah rangkaian tertutup, maka pada inti terdapat arus sirkulasi. Arus sirkulasi ini disebut dengan Eddy Current , yang kemudian akan menghasilkan rugi-rugi daya (I2R) yang dikenal dengan rugi-rugi eddy current.
Besar rugi-rugi eddy current sangat bergantung dari resistivity bahan dan panjang jalur dari arus sirkulasi.Untuk itu guna mengurangi rugi-rugi daya eddy current, maka arus sirkulasi dapat diperkecil dengan memperbesar resistivity dan memperpanjang jalur dari arus sirkulasi.
Resistivity yang tinggi dapat diperoleh dengan memberikan bahan silicon pada bahan inti baja.Sedangkan memperpanjang jalur arus sirkulasi dilakukan dengan membentuk inti menjadi laminasi (lembaran tipis) yang saling diisolasi secara sederhana (umumnya menggunakan varnish).
Umumnya untuk peralatan elektromagnetik, ketebalan laminasi bervariasi dari nilai 0,3-5 mm, sedangkan untuk peralatan elektronik umumnya antara 0,01-0,5 mm. Rumus empiris untuk menghitung rugi-rugi eddy current adalah:
Pe = ke f2 Bm2 (W/m3)
Dimana: ke = ke’ d2/
21 d = ketebalan laminasi
I.5.2. Rugi-rugi Hysteresis
Perhatikan kurva jerat hysteresis pada gambar 10
Gambar 10. Kurva jerat hysteresis
Bila mmf dinaikkan dari 0 hingga nilai maximum, maka energi yang disimpan dalam bentuk medan magnet per unit volume pada bahan inti adalah :
∫ dB = daerah o f a b g o
Bila H diturunkan menuju nol, maka tidak semua energi yang tersimpan dalam medan magnet akan dikembalikan ke sumber (tidak dapat diperoleh kembali), karena sebagian energi tersebut telah berubah menjadi energi panas dalam bahan inti yaitu daerah o a f b c o yang disebut dengan rugi-rugi hysteresis.
Adapun besar energi yang dapat diperoleh kembali dirumuskan dengan:
∫ dB = daerah c b g
22 Ph = Wh V f
Dan menurut Steinmetz, formulasi empiris untuk menghitung rugi hysteresis yang didasari pada study experiment adalah:
Ph = kh f Bmn
Dimana:
Kh=Konstanta karakteristik dari bahan inti Bm = Rapat fluks maximum
N = Eksponen Steinmetz yang bervariasi dari 1,5-2,5 bergantung pada bahan, namun umumnya digunakan nilai 1,6
DAFTAR PUSTAKA
23 TUGAS TRANSFORMATOR
1. Jelaskan:
a. Kenapa permukaan luar tangki trafo umumnya berbentuk sirip sirip ?
b. Proses pernapasan dan pendinginan trafo ?
2. Jelaskan kenapa minyak transformator terpisah dengan minyak tap changer dan sebutkan permasalahan yang ada pada operasi tap changer?
3. Jelaskan proses terjadinya hysteresis dan eddy current ?
