Materi Seminar tugas akhir
ANALISIS PENGARUH PEMBEBANAN TRANSFORMATOR TERHADAP
KANDUNGAN GAS TERLARUT MINYAK ISOLASI
Agung Ekosurya Harsono[1], Ir. Tejo Sukmadi[2], Karnoto ST.MT[3]
ABSTRAK
Minyak transformator merupakan salah satu komponen penting dalam suatu transformator, karena fungsinya selain sebagai isolator yang memberikan fungsi isolasi antar belitan dalam transformator, juga sebagai media pendingin untuk menyerap panas dari inti transformator dan belitan transformator. Kandungan gas yang terlarut dalam minyak transformator secara tidak langsung menunjukkan kondisi dari transformator itu sendiri. Oleh karena itu analisa terhadap minyak transformator atau Diissolved Gas Analys (DGA) perlu dilakukan untuk mengetahui jenis gangguan yang mungkin terjadi dalam transformator, sehingga dapat langsung dilakukan suatu tindakan dan perhatian khusus terhadap transformator sebelum kondisinya bertambah buruk.
Tugas akhir ini membahas tentang pengaruh pembebanan transformator terhadap kandungan gas terlarut pada minyak isolasi transformator. Penelitian ini dilakukan dengan membandingkan beberapa metoda interpretasi yaitu TDCG, Doenenburg, Rogers, dan Gas Kunci. Sampel uji yang digunakan sebagai bahan analisa adalah sampel minyak transformator pada beberapa gardu induk milik PT. PLN (Persero) P3B Region 3 Jateng dan DIY.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa peningkatan pembebanan pada transformator akan berdampak pada meningkatnya jumlah gas terlarut yang mudah terbakar dalam minyak transformator. Hal ini akan menjelaskan bahwa transformator tersebut talah mengalami gangguan yang dapat berupa gangguan thermal (thermal fault), partial discharge, maupun arcing.
Kata kunci : minyak transformator, pembebanan, gas terlarut, DGA,Gangguan
I. PENDAHULUAN
Transformator adalah salah satu alat yang sangat penting dalam suatu sistem tenaga listrik. Fungsi utama dari transformator adalah untuk mengubah level tegangan dari satu level tegangan ke level tegangan yang lain. Pada pemakaian suatu transformator tegangan tinggi diperlukan isolasi untuk mengisolasi antara bagian yang bertengangan dan bagian yang tidak bertegangan serta untuk mengisolasi bagian-bagian antara fasa yang bertegangan. Sistem isolasi yang terdiri dari minyak transformator dan isolasi kertas merupakan bagian yang perlu perneliharaan dengan baik.
Kelangsungan operasi dari transformator sangat bergantung kepada kualitas sistem isolasinya. Minyak transformator selain berfungsi sebagai isolasi dan pendingin. juga mempunyai sifat dapat melarutkan gas-gas yang timbul akibat
kerusakan sistem isolasi baik isolasi padat
(cellulose) maupun isolasi cair (minyak
transformator) selama dalam operasinya. Selama transformator beroperasi maka minyak transformator di dalamnya akan mengalami beban berupa medan listrik dan juga beban thermal yang berasal baik dari belitan maupun inti transformator. Pembebanan lebih dalam jangka panjang dapat menyebabkan penurunan karakteristik dielektrik, fisik dan kimia minyak transformator selain itu juga menyebabkan timbulnya gas-gas terlarut yang berada dalam minyak transformator.
Tugas akhir ini disusun untuk mencari hubungan antara pembebanan transformator terhadap jumlah kandungan gas terlarut minyak isolasi dan menganalisa gas terlarut yang muncul untuk diketahui jenis gangguan yang
II. DASAR TEORI
2.1 Pengertian Transformator
Transformator merupakan peralatan yang berfungsi mengkonversi (merubah) arus atau tegangan bolak-balik dari nilai tertentu menjadi nilai yang lain. Konstruksi dasar transformator adalah suatu inti/teras besi terdiri dari dari keping-keping besi tipis yang disekat satu dengan yang lain yang dililiti oleh 2 bagian kumparan konduktor. Satu sisi kumparan bagian tegangan tinggi dan sisi lainnya adalah kumparan bagian tegangan rendah. Penggunaan transformator pada sistem penyaluran tenaga listrik dapat dibagi :
a) Trafo penaik tegangan (Step up) atau disebut trafo daya, untuk menaikkan tegangan pembangkit menjadi tegangan transmisi.
b) Trafo penurun tegangan (Step down), dapat disebut trafo distribusi, untuk menurunkan tegangan transmisi menjadi tegangan distribusi.Trafo instrumen, untuk pengukuran yang terdiri dari trafo tegangan dan trafo arus, dipakai menurunkan tegangan dan arus agar dapat masuk ke meter-meter pengukuran.
2.2 Dasar Teori Transformator
Apabila kumparan primer dihubungkan dengan tegangan (sumber), maka akan mengalir arus bolak balik I1 pada kumparan tersebut. Oleh
karena kumparan menpunyai inti, arus I1
menimbulkan fluks magnet yang berubah-ubah pada intinya. Akibat adanya fluks magnet yang berubah-ubah, pada kumparan primer akan timbul GGL induksi ep.
Besarnya GGL induksi pada kumparan primer adalah: dt d Np p e
ep : GGL induksi pada kumparan primer
Np: jumlah lilitan kumparan primer
d : perubahan garis-garis gaya magnet dalam satuan Weber
dt : perubahan waktu dalam satuan detik. Fluks magnet yang menginduksikan GGL induksi ep juga dialami oleh kumparan sekunder
karena merupakan fluks bersama (mutual flux). Dengan demikian fluks tersebut menginduksikan GGL induksi es pada
kumparan sekunder.
Besarnya GGL induksi pada kumparan sekunder adalah: dt d Ns s e
Ns : jumlah lilitan pada sisi sekunder.
2.3 Minyak Isolasi Transformator
Minyak transformator juga memberikan fungsi isolasi antara belitan-belitan dengan badan transformator dan benda-benda lain di luar transformator. Selain itu minyak transformator juga berfungsi sebagai media pendingin untuk menyerap panas dari inti
trafo dan dari belitan transformator. Suatu peralatan elektrik harus
memiliki isolasi elektrik dan juga harus memiliki isolasi thermal. Isolasi elektrik berfungsi sebagai pemisah antara bagian-bagian peralatan yang memiliki beda potensial, sedangkan isolasi thermal berfungsi menyerap panas yang terdisipasi. Minyak dianggap dapat memenuhi dua fungsi tersebut.
Untuk memenuhi tujuan-tujuan tersebut minyak yang ideal harus m em i li ki beberapa keri t eri a beri kut :
1. Tegangan Tembus Minyak (Breakdown Voltage)
2. Tegangan Antar Permukaan (Interfacial Tension / IFT)
3. Kandungan air dalam minyak (Water content)
4. Angka kenetralan (Neutralization Number / NN)
5. Flash point 6. Warna
7. Kejernihan (Appearance) 8. Titik tuang (Pour point)
9. Viskositas kinematik (Kinematic viscosity) 10. Massa jenis (Density)
11. Faktor Kebocoran Dielektrik (Dielectric Dissipation Factor)
2.4 Pengaruh Pembebanan Transformator
Transformator dalam keadaan bertegangan dan belum dibebani akan timbul rugi-rugi yang dapat menimbulkan kondisi trafo tersebut panas, namun panas yang timbul kecil. Apabila transformator tersebut dibebani maka kumparan dan minyak di dalam trafo akan bertambah panas sesuai dengan kenaikan bebannya atau sebesar I2R. Panas yang timbul pada kumparan akan diteruskan secara konduksi pada minyak trafo yang berfungsi sebagai pendingin. Baik kumparan maupun minyak trafo mempunyai batas-batas operasi panas yang diijinkan. Isolasi kumparan yang terdiri dari kertas kraft mempunyai batas panas yang diijinkan sesuai dengan kelas isolasi spesifikasi trafo. Demikian juga minyak isolasi trafo mempunyai batas panas yang diijinkan. Apabila panas-panas tersebut dilampaui maka isolasi akan rusak dan secara keseluruhan transformator tersebut akan rusak. Panas tersebut harus direduksi dengan memasang sistem pendingin.
2.5 Mekanisme Pembentukan Gas Dekomposisi Minyak
Minyak isolasi mineral dibentuk dari beberapa molekul hidrokarbon yang mengandung gugus kimia CH3, CH2, dan CH yang
dihubungkan oleh ikatan molekul carbon. Pemutusan beberapa ikatan C-H dan C-C dapat
terjadi sebagai akibat gangguan elektrik dan thermal, dengan bentuk pecahan kecil yang tidak stabil, dalam bentuk radikal atau ion seperti H*, CH3*, CH2*, CH* atau C* (diantara
bentuk lain yang lebih kompleks) yang terkombinasi kembali dengan cepat melalui reaksi kompleks menjadi molekul gas seperti Hidrogen H-H methane CH3-H ethane CH3
-CH3 ethylene CH2=CH2 atau acetylene CH ≡
CH. Gas gas tersebut terbentuk larut dalam minyak, atau terakumulasi sebagai gas bebas jika pembentukannya dalam jumlah besar dan waktu yang cepat.
Dekomposisi Isolasi Kertas
Saat terjadi dekomposisi minyak akibat panas, isolasi selulosa menghasilkan CO & CO2
dan beberapa H2 dan CH4 dalam minyak.
Tingkat seberapa besar senyawa yang dibentuk tergantung suhu dan volume material pada suhu tersebut.
Proses over heating
Bila selulosa / kertas dipanaskan dengan over heating (paling rendah 140 0C) dalam sistem tertutup sesuai dengan kondisi transformator, maka terjadi penguraian selulosa menjadi gas karbon monoksida (CO), karbon dioksida (CO2)
dan H2O.
Proses pirolisis
Bila selulosa dipanaskan sampai terurai dengan proses pirolisis dan temperatur diatas 250 0C dalam sistem tertutup, maka kan terbentuk lebih banyak karbon monoksida (CO) dari pada karbon dioksida (CO2) dengan jumlah
kira-kira CO lebih besar empat kali dari CO2.
2.6 Jenis Gangguan Yang Terjadi Pada Transformator
Pada Komponen yang ada pada transformator antara lain adalah : konduktor, bushing, dan isolasi (padat dan cair) dll. Dalam hal ini bahan yang mudah
terurai dari transformator adalah bahan organik yang berasal dari bahan isolasi padat dan isolasi cair (minyak), sedangkan bahan anorganik yang berasal dari konduktor, keramik dan logam lain relatif tidak terdekomposisi dalam kondisi operasi transformator.
penyebab utama terbentuknya gas-gas dalam kondisi transformator yang selang beroperasi adalah adanya gangguan :
Partial Discharge yang terjadi pada minyak transformator menyebabkan timbulnya gas hidrogen (H2). Sedangkan partial discharge
yang terjadi pads selulosa menyebabkan timbulnya gas hidrogen (H2), karbonmonoksida (CO).
karbondioksida (CO2).
Thermal degradation yang terjadi pada minyak transformator, pada temperatur rendah menyebabkan timbulnya gas metana (CH4) dan etana (C2H6), pada
temperatur tinggi menyebabkan timbulnya gas etilen (C2H4), hidrogen
(H2) dan sedikit gas metana (CH4) dan
etana (C2H6). Sedangkan thermal
degradation yang terjadi pada
selulosa. pada temperatur rendah menyebabkan timbulnya gas karbondioksida (CO2) dengan sedikit
karbon monoksida (CO) dan p a d a t e m p e r a t u r t i n g g i m e n y e b a b k a n t i m b u l n y a g a s karbonmonoksida (CO) dengan sedikit karbondioksida (CO2).
Arcing yang terjadi pads minyak transformator menyebabkan timbulnya gas hidrogen (H2) dan Asetilen (C2H2).
III. METODE PENELITIAN 3.1 Alat Pengujian Sampel
Alat yang digunakan selama pengujian adalah kromatograf yang berfungsi memisahkan komponen gas dan kemudian mendeteksinya. Sampel gas yang telah dipisahkan dari minyak transformator dilakukan analisis terhadap
komposisi gas baik secara kualitatif maupun kuantitatif.
Dasar kerja dari alat kromatografi gas adalah berdasarkan sifat penyerapan sistem kolom kromatografi gas terhadap sampel gas. Sampel gas (campuran gas) yang diinjeksikan kedalam alat, dialirkan oleh gas pembawa sehingga gas mempunyai perbedaan sifat penyerapan yang terpisah. Pemisahan gas-gas tersebut, masing-masing akan dideteksi oleh suatu detektor yang akan dikonversikan kepada sistem pencatat atau integrator. Jenis dan jumlah gas yang diinjeksikan dapat diketahui dengan jalan membandingkan atau melakukan hal yang sama terhadap gas standar yang telah diketahui komposisinya.
3.2 Metode Intepretasi Gangguan
Pada chart pembentukan gas dapat dilihat pada keadaan suhu tertentu suatu gas akan terbentuk lebih besar dari gas lainnya. Metoda ini menggunakan hubungan ini dengan melihat bahwa pada suhu tertentu maka akan terdapat komposisi dari gas yang dapat dibuat rasionya.
H2 CH4 C2H2 C2H4 >2L1 Y N Y N RATIO TEST OK? Y N GAS INPUT NORMAL PARTIAL DISCHARGE ARCING R4 >0,4 Y N R3 <3 Y N R1 <0,1 Y N R4 < 0,4 Y N R3 >0,3 Y N R2 >0,75 Y N R1 0,1-1 Y N R4 >0,4 Y N R3 <0,3 Y N R2 <0,75 Y N R1 >1 Y C2H6 CO >L1 GANGGUAN TAK TERDETEKSI LAKUKAN UJI ULANG
GANGGUAN THERMAL GANGGUAN TAK TERDETEKSI LAKUKAN UJI ULANG
GANGGUAN TAK TERDETEKSI LAKUKAN UJI ULANG
R2 < 0,1 Y N R1 0,1-1 Y N R5 < 1 Y N R5 1-3 Y N R1 >1 Y R5 1-3 Y N R5 >3 Y R2 0,1-1 Y N R1 < 0,1 Y R5 < 0,1 Y R2 1-3 Y R1 0,1-1 Y R5 >3 Y GAS INPUT CASE 0 NO FAULT CASE 3 LOW TEMPERATURE THERMAL OVERLOADING CASE 4 THERMAL <700 C CASE 5 THERMAL >700 C CASE 1 PD INFLUENCE VOLTAGE (RIV) CASE 2 HIGH ENERGY ARCING Chart diatas adalah representasi dari teori
thermal degradation principles dimana
pembentukan senyawa gas hidrokarbon dipengaruhi suhu gangguan (fault temperature).
1. Metode Total Dissolved Combustible
Gases (TDCG)
Gas yang mudah terbakar menurut IEEE adalah Karbonmonoksida (CO), Metana (CH4), Etana (C2H6), Etilen
(C2H4), Asetilen (C2H2), Hidrogen (H2).
Jumlah konsentrasi (ppm) dari masing-masing gas tersebut di atas merupakan kandungan total dissolved combustible gases (TDCG). Komposisi gas terlarut dalam minyak dapat merepresentasikan kondisi minyak itu sendiri. Standar yang digunakan dalam analisis ini adalah IEEE C57-104-1991 dan ASTM Test Method D-3612 sesuai dengan label IEEE limits berikut ini :
2. Metode Doenenburg
Dasar dari metoda ini adalah Chart pembentukan Senyawa gas di minyak terhadap suhu. Pada Suhu tertentu akibat gangguan maka akan terbentuk senyawa gas hidrokarbon dengan pola komposisi seperti pada chart. Dengan mengetahui rasio gas maka dapat ditentukan dia berada pada titik suhu mana dan gangguan apa yang terjadi dengan mengakibatkan terjadinya suhu sebesar demikian.
R1 : CH4/H2
R2 : C2H2/C2H4
R3 : C2H2/CH4
R4 : C2H6/C2H2
3. Metode Rasio Rogers
Rasio Rogers dapat diperoleh dengan membandingkan kuantitas dari berbagai gas gas kunci yang akan memberikan sebuah nilai rasio suatu gas kunci terhadap gas Lainnya. Untuk lebih jelasnya nilai dan diagnosis gangguan dengan rasio rogers dapat dilihat pada fowchart berikut ini:
4. Metode Gas Kunci
Gas gas yang dilihat pada metoda ini adalah gas gas yang terbentuk dari proses penurunan kualitas minyak & kertas selulosa yaitu H2,
CH4, C2H2, C2H4, C2H6, CO
Thermal – Oil
Hasil pemburukan termasuk ethylene dan methane, ditambah dengan kecilnya kehadiran hydrogen dan methane. Gas Kunci : Ethylene
Thermal – Celullose
Jumlah besar dari senyawa CO dan CO2
dibentuk dari panas berlebih pada kertas sellulose. Gas kunci : Carbon monoksida
Electrical – Korona
Elektrik discharge low- energy menghasilkn hydrogen dan methane, dengan jumlah kecil ethane dan ethylene. Gas kunci: Hidrogen
Electrical – Arcing
Jumlah yang banyak darihydrogen dan acetylene dengan jumlah sedikit methane dan ethylene terjadi saat arcing. Gas kunci : acetylene
IV. ANALISA DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Transformator
Penyusunan tugas akhir ini dilakukan dengan pengambilan data sampel uji minyak transformator pada beberapa gardu induk di wilayah PT. PLN (Persero) P3B Region 3 Jateng dan DIY. Berikut ini data persentase pembebanan masing-masing transformator :
Data hasil pengujian dengan gas kromatografi meliputi banyaknya jumlah kandungan gas yang telarut (dalam ppm) dari masing-masing transformator yang diambil sampel minyaknya.
Data tahun 2007
Data tahun 2008
Data tahun 2009
Data tahun 2010
4.2 Interpretasi Minyak Transformator 4.2.1 Metode Total Dissolved Combustible
Gasses (TDCG)
Berdasarkan data pengujian minyak transformator pada beberapa gardu induk di wilayah PT. PLN (Persero) P3B Region 3 Jateng dan DIY, maka perbandingan pembebanan transformator terhadap total kandungan gas terlarut pada masing-masing transformator tersebut adalah :
4.2.2 Metode Doenenburg
Metode ini menggunakan 4 jenis rasio gas dalam melakukan interpretasi yaitu R1, R2, R3, dan R4. Dengan menggunakan bantuan program delphi kita dapat melakukan interpretasi minyak transformator dengan menggunakan metode doenenburg sehingga diperoleh hasil interpretasi sebagai berikut :
4.2.3 Metode Rogers
Pada metode rogers ini rasio yang digunakan antara lain R1, R2, dan R5
4.2.4 Metode Gas Kunci
Metode ini digunakan untuk memprediksi gangguan yang terjadi pada minyak dengan cara membandingkan komposisi combustible gas dan mencari gas dengan konsentrasi tertinggi sebagai gas kunci. Korelasi antara gas kunci dengan gangguan yang terjadi ditentukan berdasarkan standar IEEE C57.104. Berikut ini adalah data-data persentase gas-gas yang mudah terbakar yang terlarut dalam sampel minyak transformator
Dengan menggunakan bantuan program delphi, kita dapat mengetahui kondisi gangguan yang mungkin muncul pada minyak transformator berdasarkan metode gas kunci sehingga diperoleh hasil interpretasi sebagai berikut :
V. PENUTUP 5.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil studi dan analisa yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa :
1. Semakin tinggi tingkat pembebanan transformator maka laju peningkatan gas terlarut pada minyak akan semakin meningkat pula.
2. Hasil interpretasi dengan metode Rogers dan Doenenburg menunjukkan pada pembebanan 62,2% hingga 80,8% tampak
terjadinya gangguan thermal pada
transformator, sedangkan pembebanan diatas 88% menunjukkan adanya gangguan arcing. Untuk metode gas kunci hasil interpretasi menunjukkan bahwa pada pembebanan 62,2% hingga 70,8% tampak adanya gangguan
thermal pada minyak, sedangkan
pembebanan diatas 80,8% tampak adanya gangguan thermal pada isolasi kertas.
5.2 Saran
Berdasarkan hasil studi dan analisa yang telah dilakukan, maka saran yang dapat penulis berikan adalah :
1. Untuk transformator yang berada pada kondisi level 2 berdasarkan metode TDCG dan atau terdeteksi gangguan
thermal dengan suhu kurang dari 300°C
berdasarkan metode rasio gas, hendaknya diberikan perhatian khusus berupa pengambilan sampel untuk pengujian yang lebih rutin agar dapat diketahui laju peningkatan combustible
gas pada minyak.
2. Untuk transformator yang berada pada kondisi level 3 dan 4 berdasarkan metode TDCG dan atau terdeteksi gangguan thermal dengan suhu lebih dari 300°C maupun arcing berdasarkan metode rasio gas, hendaknya segera dilakukan tindakan berupa purifikasi pada minyak jika terjadi kegagalan pada minyak dan re-winding isolasi kertas belitan apabila terjadi kegagalan pada isolasi kertas.
Daftar Pustaka:
[1]. A. Arismunandar, S. Kuwahara, “Buku
Pegangan Teknik Tenaga Listrik”, Jilid
III,
Jakarta : Pradnya Paramita, 1979.
[2]. IEC, “Loading Guide For Oil Immersed
Transformer”, IEC Publication, 1972.
[3]. IEC 60599, “Mineral oil-impregnated
eletrical equipment in service : Guide to the
interpretation of dissolved and free gases analysis,” IEC Publication 60599
(1999-2003), Mar.1999.
[4]. “IEEE Guide for the Interpretation of
Gases Generated in Oil-Immersed
Transformers,”.
IEEE Standart C57.104-1991, June/July 1991.
[5]. “IEEE Standart General Requirements for
Liquid-Immersed Distribution, Power, and Regulating Transformers,” IEEE Standart
C57.12-2000, June 2000.
[6]. Kadir, Abdul, “Transformator”, Jakarta : Pradnya Paramita, 1979.
[7]. PT. PLN (Persero) P3B, “Panduan
PemeliharaanTransformator”, PT. PLN,
2003.
[8]. PT. PLN (Persero), “Pedoman Pembebanan
Transformator Terendam Minyak”, SPLN
17, 1979.
[9]. PT. PLN (Persero) P3B, “Validasi Hasil Uji
DGA RJKB”, Forum Enjiniring Ke-3,
Surabaya, 2007.
[10]. Rahmatullah Arif F, M, “Analisis Indikasi
Kegagal Transformator dengan Metode Dissolved Gas Analys”, Tugas Akhir
Teknik Elektro, FT UNDIP, Semarang, 2011.
[11]. Sigit, Purnama, “Analisa Pengaruh
Pembebanan Terhadap Susut Umur
Transformator
Tenaga”, Tugas Akhir Teknik Elektro, FT
UNDIP, Semarang, 2009.
[12]. SPLN 49_1 : 1982, Pedoman Penerapan
Spesifikasi dan Pemeliharaan Minyak Isolasi.
[13]. Tobing, B.L., “Peralatan Tegangan Tinggi”, Jakarta : PT. Gramedia Pustaka
Utama, 2003.
Penulis
Agung Ekosurya Harsono (L2F 307 003) lahir di Rembang, menyelesaikan pendidikan dasar hingga pendidikan menengah di Rembang. Saat ini sedang menempuh pendidikan di jurusan Teknik Elektro bidang Konsentrasi Teknik Energi Listrik Universitas Dipenegoro
Mengetahui,
Pembimbing I, Pembimbing II,
Ir. Tejo sukmadi, MT Karnoto, ST. MT 196111171988031001 196907091997021001
