Abstrak— Transformator dapat dikatakan sebagai jantung dalam penyaluran energi listrik. Untuk itu diperlukan cara pemeliharaan transformator yang baik. Kendala yang terjadi selama ini, pada transformator bertegangan tidak dapat diketahui lebih dini apakah sedang dalam kondisi baik ataukah mengalami gangguan. Sebagai upaya mewujudkan hal tersebut, dalam tugas akhir ini dirancang suatu sistem monitoring kondisi transformator jarak jauh dan real – time. Tugas akhir ini mengembangkan tugas akhir sebelumnya mengenai monitoring kondisi transformator daya. Monitoring tegangan, arus, dan suhu transformator, diimplementasikan pada prototipe ini. Dengan
monitoring ini, dapat diketahui apakah transformator masih
dapat mentransformasikan arus dan tegangan dengan baik. Dengan peralatan ini, akan dapat mengetahui kondisi transformator secara real – time. Error maksimum pada data
monitoring tegangan rms line to netral sebesar 0,53 %, pada data monitoring arus rms sebesar 7,7 %, dan pada data monitoring
suhu pada transformator sebesar 4,3 %, dan dapat dikatakan bahwa prototipe masih di dalam batas error alat ukur.
Kata Kunci—Transformator daya, online, monitoring,
tegangan, arus, suhu, web server.
I. PENDAHULUAN
Salah satu cara meningkatkan keandalan sistem tenaga listrik adalah dengan menjaga kontinyuitas penyaluran energi listrik. Penyaluran energi listrik dengan menaikkan atau menurunkan tegangan harus melalui transformator daya. Sehingga transformator dapat dikatakan sebagai jantung dalam penyaluran energi listrik. Untuk itu diperlukan cara pemeliharaan transformator yang baik.
Kendala yang terjadi, pada transformator bertegangan tidak dapat diketahui lebih dini apakah sedang dalam kondisi baik ataukah mengalami gangguan. Selama ini, pemeliharaan transformator dilakukan berdasarkan jadwal, sehingga tidak dapat dipantau dalam rentang waktu yang pendek, misalnya setiap hari. Akibatnya, sulit mendeteksi gangguan pada transformator secara dini. Selain itu, perbaikan lokasi transformator yang tiba – tiba rusak memerlukan waktu yang lama untuk sistem tenaga listrik yang mencakup area yang luas.
Berdasarkan kondisi dan kendala tersebut, maka dibutuhkan sistem monitoring kondisi transformator jarak jauh dan real – time. Parameter yang perlu dipantau untuk mengetahui kondisi transformator antara lain, tegangan, arus,
suhu transformator, suhu lingkungan sekitar, kelembaban udara, harmonisa, dan kondisi minyak transformator.
Monitoring tegangan, arus, suhu transformator, suhu
lingkungan sekitar, dan kelembaban udara diimplementasikan pada prototipe ini. Monitoring tegangan dan arus bertujuan untuk mengetahui apakah transformator masih dapat mentransformasikan arus dan tegangan dengan baik serta mempunyai efisiensi yang tinggi. Monitoring suhu transformator bertujuan untuk mengetahui apakah sistem pendingin dalam transformator bekerja dengan baik.
Monitoring suhu lingkungan sekitar transformator dan
kelembaban udara bertujuan untuk mengklarifikasi apakah
monitoring suhu transformator sudah tepat.
Pada tugas akhir ini, akan dibuat sebuah prototipe
monitoring transformator daya secara online. Sehingga
prototipe ini dapat mengetahui kondisi transformator secara
real – time dan lokasi transformator yang mengalami gangguan
dengan cepat.
II. PENELITIANONLINEMONITORING TRANSFORMATORDISRTRIBUSI
Online Monitoring Transformator Distribusi Berbasis
Analisis Data Suhu, Tegangan, dan Arus merupakan salah satu tugas akhir yang sudah diseleksaikan mahasiswa S1 Jurusan Teknik Elektro ITS pada semester genap 2011-2012. Pada tugas akhir tersebut, dirancang suatu prototipe monitoring parameter – parameter transformator daya. Monitoring dilakukan dengan memantau suhu, tegangan, dan arus, kemudian dianalisis berdasarkan data hasil pemantauan tersebut, apakah transformator dalam kondisi baik ataukah tidak. [1]
Pada penelitian tersebut, terdapat beberapa kendala yang akan disempurnakan melalui pengerjaan tugas akhir ini. Kendala yang dihadapi pada penelitian Online Monitoring Transformator Distribusi, yaitu pada monitoring suhu yang masih menggunakan LM35 yang mempunyai range ukur suhu yang terlalu rendah dibandingkan suhu transformator distribusi ketika beroperasi di lapangan. Jadi, meskipun LM35 cukup handal dalam pengukuran suhu, tetapi belum maksimal untuk monitoring transformator distribusi. Di samping itu, pengukuran suhu dengan LM35, hanya dapat digunakan untuk mengukur suhu dari luar transformator. Padahal, dengan kondisi lingkungan dan udara di sebagian besar tempat di
PARAMETER – PARAMETER
TRANSFORMATOR DAYA SECARA ONLINE
BERBASIS MIKROKONTROLER
Nata Khakima Adhuna, Prof. Dr. Ir. Mauridhi Hery Purnomo, M.Eng., Dr. Eng. Ardyono Priyadi, S.T., M.Eng.,
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
Indonesia yang cenderung panas akibat terik matahari, memungkinkan ketidakakuratan pengukuran tersebut.
Selain kendala dalam pengukuran suhu, pada Online
Monitoring Transformator Distribusi juga terdapat kendala
dalam perancangan sistem online. Karena pada penelitian tersebut proses pengiriman data monitoring dari mikrokontroler ke web server masih menggunakan modul GSM Tri Band. Modul tersebut masih perlu dikendalikan dan diprogram melalui sistem mikrokontroler. Sedangkan pada pemrograman mikrokontroler dengan Code Vision AVR masih belum terdapat library yang lengkap untuk pemrograman modul tersebut. Oleh karena itu, sistem online monitoring tersebut masih belum berjalan sesuai harapan.
III. PERANCANGANDANPEMBUATANALAT Diagram blok dari prototipe monitoring transformator daya secara online disajikan pada Gambar 2.
A. Perancangan Rangkaian Sensor Arus
Sensor Arus yang digunakan adalah CT-235. CT merupakan perangkat berupa transformator yang dapat mendeteksi arus yang mengaliri suatu penghantar dan mentransformasikannya menjadi arus yang lebih kecil. CT bekerja dengan prinsip fluks elektromagnetik selayaknya pada transformator. Rasio arus keluaran pada sisi sekunder dengan arus pada sisi primer sebanding dengan rasio belitan sisi sekunder.
Untuk memastikan kebenaran spesifikasi, linearitas, dan persamaan tegangan sekunder CT-235 [2], dilakukan kalibrasi. Berdasarkan hasil kalibrasi pada gambar 3, grafik V-ukur terhadap Arus Sumber membentuk kurva lurus linear. Hal ini menunjukkan linearitas perbandingan antara tegangan sekunder ketiga CT dengan arus yang mengalir. SehinggaCT-235 dinyatakan layak digunakan.
B. Perancangan Rangkaian Sensor Tegangan
Pada prototipe, digunakan PT merk Orient, untuk mentransformasikan tegangan sisi sekunder (220 volt rms) masing – masing fasa R, S, dan T pada transformator distribusi. Sedangkan untuk tegangan sisi primer transformator distribusi, diperlukan PT yang mampu mentransformasikan tegangan 20 KV rms. Karena di Jurusan Teknik Elektro belum tersedia PT tegangan 20 KV 3 fasa dan sumber 3 fasa 20 KV, maka untuk tegangan primer transformator tidak dilakukan pengujian.
Sebelum ketiga PT digunakan, terlebih dahulu dilakukan kalibrasi untuk mengetahui rasio dan linearitas PT. Berdasarkan hasil kalibrasi dan pengukuran tegangan sekunder PT Orient pada gambar 4, didapatkan nilai tegangan keluaran sekundernya. Kemudian, dilakukan penghitungan rasio masing – masing PT untuk perumusan dalam pemrograman alat.
C. Perancangan Rangkaian Sensor Suhu
Untuk pengukuran suhu dalam transformator daya, diperlukan sensor suhu yang dapat mendeteksi hingga ke bagian dalam transformator, dapat dimasukkan ke dalam transformator, dan tahan terhadap panas dalam transformator. Salah satu sensor yang dapat digunakan adalah RTD (Resistance Thermal Detector). RTD merupakan sensor yang Gambar. 1. Diagram blok prototipe monitoring transformator daya.
Gambar. 2. Skema Kalibrasi Rangkaian Sensor Arus.
Gambar. 3. Grafik V-ukur terhadap Arus Sumber pada CT-235
Gambar. 4. Skema Kalibrasi Rangkaian Sensor Tegangan
mendeteksi perubahan suhu dan memberikan respon keluaran perubahan nilai resistansi. Tipe RTD yang digunakan adalah RTD PT-100.
Sebelum rangkaian sensor suhu dapat digunakan, terlebih dahulu perlu dilakukan kalibrasi, untuk mengetahui nilai tegangan masukan pada mikrokontroler terhadap suhu tertentu. Sehingga dapat diketahui, tingkat error antara hasil pengukuran alat dibandingkan dengan alat ukur terstandar. Alat ukur yang digunakan adalah Flir T250.
D. Perancangan Rangkaian Adder Analog
Sinyal tegangan dan arus yang diterima dari sensor berupa sinyal sinusoida AC, sedangkan masukan pada Arduino Uno
Board hanya bisa menerima sinyal tegangan dari 0–5 volt DC.
Maka, digunakan rangkaian Adder Analog untuk merubah sinyal listrik AC yang semula dengan offset 0 volt dan Vmax– Vmin volt DC, menjadi sinyal sinusoidal DC 0–5 volt DC.
Ketika dilakukan kalibrasi pada kondisi transformator distribusi full-load (150 A), tegangan rms pada keluaran sensor arus sebesar 0,93 volt AC. Maka, agar menjadi sinyal tegangan 2,5 Vpp, pada rangkaian amplifier untuk sensor arus berfungsi sebagai penguatan sinyal.
Ketika dilakukan kalibrasi pada kondisi transformator pada tegangan nominal (220 V), tegangan rms pada keluaran sensor tegangan sebesar 3,1 volt AC. Maka, agar menjadi sinyal tegangan 2,5 Vpp, pada rangkaian amplifier untuk sensor tegangan berfungsi sebagai pelemahan sinyal.
E. Perancangan Sistem Online
Pada prototipe monitoring transformator daya, digunakan modul Arduino Uno Board + Ethernet Shield untuk menerima data tegangan, arus, dan suhu, kemudian mengirimkan data ke
web server secara online. Arduino Uno Board merupakan
modul berbasis mikrokontroler yang menerima dan mengolah data monitoring dari sensor arus, tegangan, dan suhu. Sedangkan Arduino Ethernet Shield merupakan modul yang diitegrasikan pada Arduino Uno Board yang menghubungkan data dan sistem monitoring ke web server secara online.
Berdasarkan hasil kalibrasi, didapatkan nilai – nilai pembacaan dengan ketelitian 0,01 volt. Pada masing – masing pin masukan, didapatkan error rata – rata yang kecil, kurang dari 1%. Hal ini menunjukkan bahwa pembacaan modul Gambar. 6. Skema Kalibrasi Sensor Suhu
Gambar. 7. Grafik hasil kalibrasi RTD PT-100
Gambar. 8. Skematik kalibrasi rangkaian analog adder pada sensor tegangan
Gambar. 9. Gambar hasil kalibrasi rangkaian analog adder pada sensor tegangan fasa R
Gambar. 11. Gambar hasil kalibrasi rangkaian analog adder pada sensor arus fasa R
tersebut sudah akurat.
Kemudian, dibuat web server yang berfungsi sebagai
interface, yang menghubungkan operator dengan alat
(hardware) monitoring, Agar sistem monitoring dapat berjalan secara online dan real-time. Web server dirancang agar dapat menampilkan nilai – nilai parameter yang di-monitoring pada setiap perubahan waktu, skaligus menampilkan masing – masing dalam suatu grafik.
Setelah web server dirancang dan dihubungkan dengan
Arduino Uno Board + Ethernet Shield, perlu dilakukan
kalibrasi, untuk mengetahui akurasi pengiriman data dan pembacaan (penampilan data) pada web server. Mekanisme kalibrasi hampir sama dengan pengujian pada Arduino Uno
Board + Ethernet Shield.
Berdasarkan hasil kalibrasi, nilai – nilai pembacaan tegangan pada web server dengan ketelitian 0,01 volt. Pada masing – masing pembacaan, didapatkan error rata – rata yang kecil, kurang dari 1%. Hal ini menunjukkan bahwa pembacaan
web server sudah akurat.
F. Analisis Pengurangan Umur Transformator Berdasarkan Data Harmonisa
Pengurangan umur transformator daya dapat dianalisis berdasarkan pengambilan data harmonisa pada transformator. Analisis tersebut menggunakan perumusan aging factor pada standar IEEE Std C57 91-1995 (Rev2004). Adanya harmonisa tersebut, dapat menimbulkan penambahan rugi – rugi dan panas. Penambahan rugi – rugi dan panas ini yang dapat mengurangi umur isolasi transformator.
Untuk menganalisis pengurangan umur transformator berdasarkan data harmonisa, digunakan perumusan rugi – rugi transformator berdasarkan arus harmonisa. Adanya arus harmonisa dapat menambah bersarnya rugi – rugi arus eddy
dan rugi – rugi stray loss. Kemudian, setelah besarnya rugi – rugi akibat harmonisa didapatkan, dihitung besarnya kenaikan suhu yang ditimbulkan oleh rugi – rugi tersebut.
Dari hasil perhitungan suhu hot-spot akibat harmonisa, dapat dilakukan perhitungan pengurangan umur transformator menggunakan perumusan relative aging factor. Kemudian dapat dihitung persentase umur isolasi transformator yang berkurang.
IV. PENGUJIANALATDANANALISISDATA
A. Metode Pengujian Alat
Pengujian prototipe tidak dapat dilakukkan secara lansung pada transformator distribusi, karena saat ini Jurusan Teknik Elektro ITS masih belum memiliki transformator distribusi untuk keperluan penelitian. Oleh karena itu, digunakan transformator distribusi gedung B Jurusan Teknik Elektro.
Sensor tegangan pada prototype dapat melakukan pengukuran lansung pada transformator. Sedangkan sensor arus tidak dapat melakukan pengukuran lansung, karena konduktor pada sekunder transformator menggunakan konduktor ganda. Berbeda dengan konduktor tunggal pada transformator distribusi tiang milik PLN, karena kapasitas transformator distribusi tersebut lebih besar daripada kapasitas transformator distribusi tiang milik PLN pada umumnya. Sumber panas dapat berupa sumber panas lain yang juga berupa zat cair, atau sumber panas lain dengan suhu lebih tinggi. Sumber panas yang digunakan yaitu air mendidih. Besarnya suhu air tersebut, dikondisikan disesuaikan dengan suhu transformator distribusi PLN APJ Mojokerto yang sudah diambil datanya.
B. Analisis Data
Setelah sumber dan prototipe monitoring beroperasi, maka pada web server akan lansung memunculkan data hasil
monitoring tegangan, arus dan suhu. Kemudian, data hasil monitoring pada web server disimpan selama rentang waktu
yang sudah ditentukan. Selain itu, juga dilakukan pengambilan data melalui peralatan pengukuran.
Setelah data hasil monitoring dan hasil pengukuran Tabel1.
Hasil kalibrasi modul Arduino Uno Board + Ethernet Shield
V-input (V) 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 error rata - rata(%) Arduino V0 (V) 0.00 0.99 1.99 3.00 3.99 4.99 0.0000 Arduino V1 (V) 0.00 0.99 1.99 3.00 4.00 4.99 0.0000 Arduino V2 (V) 0.00 0.99 1.99 3.00 3.99 4.99 0.0000 Arduino V3 (V) 0.00 0.99 1.99 3.00 3.99 5.00 0.0000 Arduino V4 (V) 0.00 0.99 2.00 3.00 3.99 5.00 0.0000 Arduino V5 (V) 0.00 0.99 1.99 3.00 3.99 5.00 0.0000
Gambar. 13. Pengujian prototipe monitoring transformator daya secara online
didapatkan, kamudian dilakukan analisis data. Setiap data dari setiap sensor dan data dari setiap pengukuran dibandingkan untuk dihitung error-nya. Kemudian dilakukan analisis dari data dan error tersebut. Selain itu, juga dianalisis bagaimana kemampuan prototipe untuk monitoring transformator distribusi yang mempunyai kapasitas tegangan, arus dan suhu yang besar.
Berdasarkan data monitoring tegangan pada tabel 3, didapatkan besarnya error pada prototipe, yang diakibatkan oleh toleransi (error) pada komponen dan error pembacaan masukan pada Arduino Uno Board. Besarnya rata – rata error pada monitoring tegangan kurang dari 1 %. Sesuai dengan IEC no. 13B – 23, maka monitoring tegangan dapat digolongkan dalam alat ukur kelas 1, dengan error kurang dari 1 %.
Berdasarkan data monitoring arus pada table 4, didapatkan besarnya error pada prototipe, yang diakibatkan oleh toleransi (error) pada komponen dan error pembacaan masukan oleh
Arduino Uno Board. Selain itu, besarnya error juga tidak
linear dan lebih besar pada arus yang kecil. Hal ini dapat disebabkan karena untuk mengubah masukan arus dari CT-235 menjadi tegangan melalui beban resistor, yang menghasilkan rugi – rugi panas. Dan karena masukan yang diterima berupa arus yang sudah diturunkan 2000 kali, maka perubahan yang kecil tidak dapat merubah masukan secara signifikan.
Besarnya rata – rata error pada monitoring arus secara keseluruhan lebih dari 5 %. Sesuai dengan Standard IEC no. 13B – 23, maka monitoring arus tidak memenuhi batas minimal error pada alat ukur. Akan tetapi, pada monitoring
Sedangkan untuk kondisi transformator distribusi yang
di-monitoring, menunjukkan bahwa kondisi transformator masih
belum dibebani penuh atau masih beroperasi normal dan aman. Sedangkan untuk mengetahui effisiensi transformator distribusi gedung B Jurusan Teknik Elektro ITS, tidak dapat dihitung, karena tidak dapat dilakukan monitoring arus primer transformator, karena sisi primer transformator yang tidak dapat diakses oleh petugas dari Jurusan Teknik Elektro ITS, melainkan harus melalui petugas dari PLN.
Berdasarkan data monitoring suhupada tabel 5, didapatkan besarnya error pada prototipe yang diakibatkan oleh toleransi (error) pada komponen, rugi – rugi pada komponen dan error pembacaan masukan oleh Arduino Uno Board. Selain itu, besarnya error juga tidak linear dan lebih besar pada suhu yang kecil. Hal ini dapat disebabkan karena perubahan suhu dari RTD diubah menjadi perubahan nilai resistansi. Akibatnya, nilai tegangan masukan Arduino Uno Board untuk monitoring suhu bersifat tidak linear. Selain itu, perubahan suhu yang kecil tidak dapat menghasilkan perubahan tegangan masukan yang signifikan.
Besarnya rata – rata error pada monitoring suhu secara keseluruhan kurang dari 5 %. Sesuai dengan Standard IEC no. 13B – 23, maka monitoring suhu dapat digolongkan dalam alat ukur kelas 5, dengan error kurang dari 5 %.
Pengujian juga menunjukkan bahwa, prototipe monitoring masih dapat melakukan monitoring dengan baik pada transformator distribusi, meskipun besarnya tegangan 220 volt rms, arus lebih dari 60 A rms, dan suhu mencapai 70 ⁰C.
Pada penelitian selanjutnya, untuk mengatasi permasalahan dan error pada monitoring tegangan, arus, dan suhu, salah satunya dengan mengganti penggunaan fixed resistor pada rangkaian dengan multi turn variable resistor. Sehingga, nilai resistansi dapat dengan mudah diatur sampai mendapatkan nilai masukan yang sesuai.
Pengurangan umur transformator daya dapat dianalisis berdasarkan pengambilan data harmonisa pada transformator. Analisis tersebut menggunakan perumusan aging factor pada standar IEEE Std C57 91-1995 (Rev2004). [2] Berikut ini adalah data dari transformator untuk analisis pengurangan umur transformator.
Kapasitas transformator : 200 KVA Spektrum Harmonisa orde 3 : 0,01 % Spektrum Harmonisa orde 5 : 0,01 % Kenaikan rata – rata suhu top-oil : 50 ⁰C Kenaikan rata – rata suhu belitan : 65 ⁰C
Berdasarkan data transformator yang di-monitoring, kemudian dilakukan perhitungan, dan dihasilkan nilai – nilai yang dicari.
Faktor harmonisa arus eddy : 1,125 Faktor harmonisa stray loss : 1,01 Suhu hot-spot transformator : 95,135 ⁰C
Relative aging factor : 0,853
R S T R S T 06-Jan-14 217,51 217,59 217,49 0,316224 0,27956 0,32539 07-Jan-14 215,51 215,55 214,99 0,914943 0,069638 0,097584 07-Jan-14 217,51 218,11 217,99 0,316224 1,258124 1,014829 08-Jan-14 217,21 216,21 214,23 0,544872 0,593103 1,548713 08-Jan-14 222,38 221,56 219,49 0,624434 0,198198 0,231818 0,515797 0,535774 0,479267 Tanggal rata - rata Tabel4. Data error monitoring arus
R S T R S T 06-Jan-14 10,48 11,05 10,93 4,8 10,5 9,3 07-Jan-14 10,44 10,75 10,46 4,4 7,5 4,6 07-Jan-14 10,73 10,46 10,92 7,3 4,6 9,2 08-Jan-14 68,99 67,99 68,32 1,442857 2,871429 2,4 08-Jan-14 82,26 92,01 91,34 2,765957 1,593583 1,995708 5,5 7,533333 7,7 rata - rata Tanggal Arus (A rms) error(%) Tabel5. Data error monitoring suhu
Pengurangan umur: 0,0032 %
Berdasarkan hasil perhitungan, didapatkan nilai persentase pengurangan umur transformator. Nilai tersebut masih belum signifikan, dikarenakan lamanya waktu pengujian yang singkat dan spektrum harmonisa yang kecil. Akan tetapi, dengan adanya harmonisa pada transformator terus menerus selama pengoperasian, maka dapat menambah akumulasi relative
aging factor, yang dapat terus mengurangi umur isolasi
transformator.
V. KESIMPULAN
Error pada data monitoring tegangan kurang dari 1 %,
sehingga dapat digolongkan dalam alat ukur kelas 1. Sedangkan pada data monitoring arus error-nya lebih dari 5 %, tetapi pada monitoring arus lebih dari 60 A, error-nya kurang dari 2,5 %. Error pada data monitoring suhu kurang dari 5 %, sehingga dapat digolongkan dalam alat ukur kelas 5.
Berdasarkan hasil monitoring, menunjukkan bahwa transformator distribusi Jurusan Teknik Elektro ITS dalam kondisi normal dan aman.
Prototipe dapat melakukan monitoring secara online,
real-time, dan jarak jauh.
UCAPANTERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terima kasih semua pihak yang terlibat dalam pengerjaan tugas akhir ini, terutama kepada PLN APJ Mojokerto yang sudah memberikan bantuan dan dukungan pada proses pengambilan data monitoring transformator.
DAFTARPUSTAKA
[1] Rahardy, Bryan. “Monitoring Kondisi Transformator Daya Secara Online Berbasis Analisis Data Suhu, Tegangan, dan Arus pada Transformator Distribusi”. Surabaya. Juli 2012.
[2] IEEE Std C57,91-1995 (Rev2004).
RIWAYAT HIDUP PENULIS
Penulis bernama Nata Khakima Adhuna, lahir di Sidoarjo, 12 September 2991. Penulis saat ini menempuh pendidikan di Jurusan Teknik Elektro ITS, bidang studi Teknik Sistem Tenaga, Penulis beralamat
