Studi Pengaruh Arus Inrush dan Arus Hubung Singkat terhadap Pengaman Transformator

(1)

TUGAS AKHIR

STUDI PENGARUH ARUS INRUSH DAN ARUS HUBUNG SINGKAT TERHADAP PENGAMAN TRANSFORMATOR

(Studi Kasus pada PT.PLN (Persero) Cabang Medan)

Tugas Akhir ini Diajukan Untuk Melengkapi Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Elektro

OLEH :

050402020 Edison Sitorus

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSTAS SUMATERA UTARA MEDAN

(2)

STUDI PENGARUH ARUS INRUSH DAN ARUS HUBUNG SINGKAT TERHADAP PENGAMAN TRANSFORMATOR

(Studi Kasus pada PT.PLN (Persero) Cabang Medan) Oleh :

050402020 EDISON SITORUS

Tugas Akhir ini Diajukan Untuk Melengkapi Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Elektro

Disetujui oleh, Pembimbing

NIP : 1947 0503 1973061 001 IR.SUMANTRI ZULKARNAEN

Diketahui oleh,

Pelaksana Harian Ketua Departemen Teknik Elektro

NIP.1946 1022 1773021 001 PROF.DR.IR. USMAN BAAFAI

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSTAS SUMATERA UTARA MEDAN

(3)

ABSTRAK

Transformator sangat memegang peranan penting dalam penyaluran energi listrik mulai dari trafo daya pada pembangkit, gardu induk dan juga trafo distribusi yang biasanya adalah pasangan luar yang ada pada tiang.

Pada saat energize pada transformator mengakibatkan perubahan fluks seketika pada inti transformator. Perubahan fluks seketika pada inti transformator akan mengakibatkan timbulnya arus magnetisasi yang dikenal dengan istilah arus inrush.

Arus inrush ini tergantung pada besar kapasitas trafo. Pada prinsipnya arus inrush ini tidak membahayakan pada transformator karena waktunya sangat singkat. Untuk itu perlu dibuat suatu pengamanan dimana pengaman tersebut tidak bekerja pada saat adanya arus inrush. Akan tetapi pada saat gangguan hubung singkat pengaman harus bekerja, karena menghasilkan arus gangguan yang besar dan apabila tidak dihilangkan maka akan dapat merusak peralatan lain.

(4)

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur Penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan berkat dan rahmat-Nya sehingga Tugas Akhir ini yang berjudul “ Studi Pengaruh Arus Inrush dan Arus Hubung Singkat terhadap Pengaman Transformator ” dapat diselesaikan dengan baik.

Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat bagi penulis untuk memperoleh gelar Sarjana (Strata 1) di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Selama masa pendidikan di kampus sampai masa penyelesaian Tugas Akhir ini, penulis banyak memperoleh bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu dengan penuh ketulusan hati, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar – besarnya kepada :

1. Kedua Orang Tua penulis (H. Sitorus dan D. br. Tampubolon), abang saya (M.Sitorus), adek (Rosdiana, Jungjungan, Maju, Daniel) yang selalu

mendukung dan memberikan kasih sayang yang tak ternilai harganya sehingga penulis dapat menyelesaikan pendidikan hingga saat ini.

2. Hakenia Novita Lubis yang memberikan dukungan penuh kepada penulis. 3. Bapak Ir. Sumantri Zulkarnaen sebagai Dosen Pembimbing Tugas Akhir saya

yang sangat besar bantuannya dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

4. Bapak Ir. Masykur Sjani selaku Dosen Wali penulis selama menyelesaikan pendidikan di Universitas Sumatera Utara.

(5)

8. Bapak Ir. Mustafrind Lubis Sebagai Dosen penguji Tugas akhir saya.

9. Bapak Prof. Dr. Ir.Usman Baafai, selaku Pelaksana Tugas Harian Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 10. Bapak Rahmad Fauzi ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro

Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

11. Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

12. Pak Swito, Pak Syamsul, Pak Yudi, Pak Heru, Pak Fery (Staf PLN Cabang Medan) dan Pak Franciskus dari PT. Morawa Electric Transbuana yang banyak membantu dalam penulisan Tugas Akhir ini.

13. Teman – teman Elektro 2005 : Kristoper, Colin, Richard, Eko Rinal, Daniel, Elis, Rainhard, Fritz, Mangiring, Sadak, Windy, Marhon, Lamringan, Fery, Herman, Rony, Edward, Benni dan teman – teman lain yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu.

14. Kepada semua pihak yang banyak memberi dukungan kepada penulis yang tidak dapat disebutkan satu persatu.

Penulis sangat menyadari bahwa Tugas Akhir ini tidak luput dari kesalahan – kesalahan baik dari segi tata bahasa, penulisan bahkan mungkin secara ilmiahnya. Untuk itu penulis dengan berbesar hati akan selau menerima dengan terbuka segala saran dan kritik yang nantinya dapat memperbaiki Tugas Akhir ini.

(6)

DAFTAR ISI

ABSTRAK………i

KATA PENGANTAR……….….ii

DAFTAR ISI………...……iii

DAFTAR GAMBAR………...….………viii

DAFTAR TABEL………...xi

BAB I PENDAHULUAN I.1. Latar Belakang……….………..…..……..1

I.2. Tujuan Penulisan…...……….………..………..2

I.3. Batasan Masalah …...……….……….………….3

I.4. Metodologi Penulisan……….…3

I.5. Sistematika Penulisan……….………4

BAB II TRANSFORMATOR II.1. Umum………..……….6

II.2. Konstruksi Transformator………..……….…………..…7

II.2.1. Tipe inti ( Core form )……….…..…………7

II.2.2. Tipe cangkang ( Shell form )………..………..8

II.3. Prinsip Kerja Transformator………...……..9

II.3.1. Keadaan Transformator Tanpa Beban……….….……..10

II.3.2. Keadaan Berbeban……….…….11

(7)

II.4.1. Pengukuran Beban Nol………...…..12

II.4.2. Pengukuran Hubungan Singkat………..……..13

II.5. Operasi Kerja Pararel Transformator……….………14

II.6. Rugi – rugi dan Efisiensi……….……….………..15

1I.6.1. Rugi tembaga ( Pcu )……….16

II.6.2. Rugi besi ( Pi ) ……….……….……….16

II.6.3. Efisiensi………..17

II.6.3.1. Perubahaan Efisiensi Terhadap Beban ………...…….18

II.6.3.2.Perubahan Efisiensi Terhadap Factor Kerja (Cos Ф) Beban………...…...18

II.7. Persamaan Operasional Transformator Ideal……….19

II.7.1. Transformator Fasa Satu………….………..……..21

II.7.2. Transformator Tiga Fasa……….………21

BAB III ARUS INRUSH, ARUS HUBUNG SINGKAT DAN PENGAMAN TRANSFORMATOR III.1. Umum………..……..………..………….23

III.2. Arus Inrush………..….………23

III.2.1. Arus Eksitasi……..……….………....…………..23

III.2.2. Komponen Magnetisasi…………..……….……….23

III.2.3. Fenomena Arus Inrush………...………...………..…….26

III.2.4. Perhitungan Arus Inrush……….………..29

(8)

III.2.6. Lama Terjadinya Arus Inrush……….……..34

III.3. Arus Hubung Singkat……….…..…………36

III.3.1. Analisa Gangguan Tiga Fasa dengan Metode Thevenin...39

III.4. Pengaman Pada Transformator ………..……….….41

III.4.1. Pengaman Transformator Distribusi……….42

III.4.2. Pemilihan dan Penggunaan pelebur (sekring) pada Transformator Distribusi……….….50

BAB IV PERHITUNGAN ARUS INRUSH DAN ARUS HUBUNG SINGKAT PADA SISI PRIMER DAN SEKUNDER TRANSFORMATOR IV.1. Umum………....……….……..…….63

IV.2. Perhitungan Arus Nominal dan Arus Maksimum Transformator.…...64

IV.3. Perhitungan Besar Arus Inrush Maksimum…………..………64

IV.4. Lama Terjadinya Arus Inrush dan Definite Time Kerja Fuse………...68

IV.5. Perhitugan Nilai Besar Arus Hubung Singkat 3 fasa pada Kedua Sisi Trafo Distribusi……….….69

IV.5.1. Penyederhanaan Nilai Impedansi Jaringan Distribusi……..…69

IV.5.2. Perhitungan Arus Hubung Singkat pada Sisi Primer Trafo Distribusi F1...110

IV.5.3. Perhitugan Besar Arus Hubung Singkat di Sisi Sekunder Trafo Distribusi F2………..…….111

IV.6. Analisa Arus Yang Menyebabkan Fuse Bekerja ………...112

(9)

IV.6.2. Saat Terjadi Hubung Singkat di itik F2….………..………113 IV.6.3. Saat terjadi Hubung Singkat di titik F3……...……...…….114 IV.6.4. Saat terjadi hubung singkat di titik F4……...………….…115 IV.7. Pemilihan Rating Fuse yang digunakan pada Trafo Distribusi……...116

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN

V.1. Kesimpulan……….………...117 V.2. Saran………..………...……….117

(10)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Konstruksi Transformator Tipe Inti ( core form )…….…………..……7 Gambar 2.2. Konstruksi Lempengan Logam Inti Transformator Bentul L dan U…...8 Gambar 2.3. Transformator Tipe Cangkang ( shell form )……….……..…8 Gambar 2.4. Konstruksi Lempengan Logam Inti Transformator Bentuk E, I dan F...8 Gambar 2.5. Transformator Tanpa Beban………...………..………….10 Gambar 2.6. Transformator dalam Keadaan Berbeban…………...………..……….11 Gambar 2.7. Rangkaian Ekivalen Sebuah Transformator……….…...………..12 Gambar 2.8. Rangkaian Dua Transformator Paralel………....………..………14 Gambar 2.9. Blok Diagram Rugi – Rugi pada Transformator………….…………..15 Gambar 2.10. Kurva Perubahan Efisiensi terhadap Faktor Kerja…………...…..….18 Gambar 2.11. Model Transformator 1 Fasa……….………..…..…..21 Gambar 2.12. Model Transformator 3 Fasa Terhubung Y dan Delta….….…..……22 Gambar 3.1. Kurva B – H………..………..………..25 Gambar 3.2. Fluks pada Transformator saat Kondisi Transient………..…..……….28 Gambar 3.3. Arus Inrush Maksimum………..………...……29 Gambar 3.4. Arus Transient pada saat Transformator Energize………..…….…….30 Gambar 3.5. Tegangan dan Komponen Harmonik saat Transformator Energize...32 Gambar 3.6. Tegangan dan Komponen Harmonik saat Transformator Saturasi.….33

Gambar 3.7. Grafik Perbandingan

) (

'

inrush Ip

Ir

terhadap

) (inrush

tr

τ ..……….……..35

(11)

Gambar 3.9. Model Rangkaian Thevenin...40

Gambar 3.10. Penempatan Fuse dan Lighthing Arester pada Trafo Tiang………..……43

Gambar 3.11. Karakteristik Arus - Waktu antara Dua Sekring………...……..……...44

Gambar 3.12. Single Line Pengaman Trafo Distribusi 200kVA…………..………45

Gambar 3.13 . Tipe Fuse Link untuk Pemasangan Luar……..….………...49

Gambar 3.14. Pelebur Jenis Pembatasan Arus………..………...………..….…….53

Gambar 3.15 . Pelebur Jenis Letupan Kelas 2 Tipe Jatuh……….……….………..54

Gambar 3.16 . Daerah Kerja Pelebur Primer untuk Mengamankan Trafo Distribusi..…56

Gambar 3.17. Contoh Koordinasi antar Pelebur Primer dan Sekunder...…..……...61

Gambar 4.1. Diagram Impedansi Simpul 3…………...………….…….…..…………..70

Gambar 4.2. Diagram Impedansi Simpul 4………...………..72

Gambar 4.3. Diagram Impedansi Simpul 5……….73

Gambar 4.5. Diagram Impedansi Simpul 7………...…..81

Gambar 4.6. Diagram Impedansi Simpul 8……….…………82

Gambar 4.7. Diagram Impedansi Simpul 9……….………88

Gambar 4.8. Diagram Impedansi Simpul 10………...………89

Gambar 4.9. Diagram Impedansi Simpul 12………...………91

Gambar 4.10. Diagram Impedansi Simpul 13……….………92

(12)

Gambar 4.13. Diagram Impedansi Simpul 15…….………...………103

Gambar 4.14. Diagram Impedansi Simpul 16………..………..104

Gambar 4.15. Diagram Impedansi Simpul 17…………..………….…..…………105

Gambar 4.16. Diagram Impedansi Simpul 14 -17………..…………107

Gambar 4.17. Diagram Titik Gangguan F1 dan F2……….108

Gambar 4.18. Rangkaian Thevenin Gangguan F1……….……..109

Gambar 4.19. Rangkaian Thevenin Gangguan F2………..……….110

Gambar 4.20. Arah Arus Yang Melewati Fuse Saat Terjadi Gangguan F1……….112

Gambar 4.21. Arah Arus Yang Melewati Fuse Saat Terjadi Gangguan F2……...113

Gambar 4.22. Arah Arus Yang Melewati Fuse Saat Terjadi Gangguan F3……...114

(13)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Nilai Rugi – Rugi Transformator Distribusi……...…...………17 Tabel 3.1. Nilai τ Inrush ( s) untuk Transformator Distribusi…………..…………..34

Tabel 3.2. Speed Ratio Fuse Links…………...…………...………..……….47 Tabel 3.3. Daftar Batas Pengaman Trafo Distribusi…..……….48 Tabel 3.4. Batas Awal Ketahanan Hubung Singkat Trafo Distribusi…..…....……...57 Tabel 3.5 . Rekomendasi Arus Pengenal 24 kV Jenis Letupan Sebagai Pengaman

Trafo Distribusi di Sisi Primer…...………….……….58 Tabel 3.6. Rekomendasi Pemilihan Arus Pengenal Pelebur 24 kV Jenis Letupan

di Sisi primer dan Sekunder…….……....………60 Tabel 3.7. Rekomendasi Pemilihan Arus Pengenal Anak Pelebur 24 kV Jenis

(14)

LAMPIRAN

Lampiran 1. Gambar Satu Garis Penyulang 20 KV Penyulang TI.3 Senangin Lampiran 2. Letak Trafo pada Gambar Satu Garis Penyulang 20 KV Penyulang

TI.3 Senangin

(15)

BAB I

PENDAHULUAN

I.1. Latar Belakang

Pengoperasian transformator yang handal sangat diperlukan dalam sistem tenaga listrik. Dimana transformator dilengkapi dengan pengaman – pengaman sesuai dengan kebutuhan. Untuk Transformator Daya (mempunyai kapasitas besar), sistem pengamannya lebih kompleks dibandingkan Transformator Distribusi dengan daya yang kecil. Pengaman Trafo Daya menggunakan relay seperti differensial, arus lebih, REF dan sebagainya. Akan tetapi pengaman pada Transformator Distribusi cukup dengan fuse (pelebur) dilengkapi dengan Lighting Arester untuk melindungi terhadap sambaran petir. Dalam Tugas Akhir ini dibahas pengaman pada transformator tiang distribusi pada PT. PLN (Rayon Medan kota) dengan kapasitas 400 kVA. Dalam hal ini fuse (pelebur) digunakan sebagai pengamannya.

(16)

Dalam Tugas Akhir ini dibahas mengenai perhitungan besar arus inrush agar dapat dibandingkan dengan arus nominalnya. Perkiraan lama waktu terjadinya arus inrush juga dibahas pada Tugas Akhir ini. Nilainya juga dibandingkan dengan rating fuse yang digunakan.

Gangguan pada sistem tenaga listrik juga sangat sering terjadi. Gangguan tersebut dapat berupa gangguan 1 fasa ke tanah (70%), antar fasa – fasa (15%), 2 fasa ke tanah (10%) dan gangguan 3 fasa.(5%). Meskipun paling jarang terjadi biasanya gangguan yang mempunyai arus terbesar adalah gangguan 3 fasa. Untuk itu yang dibahas dalam perhitungan dalam Tugas Akhir saya ini adalah besar nilai hubung singkat 3 fasa ke tanah. Adapun analisa perhitungannya dengan menggunakan metode thevenin. Gangguan tiga phasa yang dianalisa adalah di sisi primer dan sekunder trafo distribusi 400 KVA.

Dalam Tugas Akhir ini perhitungan dilakukan dengan manual. Nilai arus hubung singkat ini juga nantinya dapat dibandingkan terhadap arus nominal dan arus inrush.

I.2. Tujuan Penulisan

1. Menentukan rating pengaman yang digunakan pada Transformator Distribusi agar mengoptimalkan kinerja transformator.

2. Menentukan besar nilai arus inrush dan membandingkan terhadap arus nominal dan memperkirakan tundaan waktu minimal agar pengaman bekerja dengan optimal.

(17)

I.3. Batasan Masalah

1. Tidak membahas pengaman terhadap sambaran petir (LA).

2. Tidak membahas banyak gelombang arus inrush yang terjadi (hanya menghitung nilai puncak arus inrush) pada trafo 400 kVA.

3. Pengaman yang dibahas adalah Fuse pada Trafo Distribusi

4. Gangguan yang dibahas dalam perhitungan adalah gangguan 3 fasa ke tanah (gangguan simetris).

I.4. Metodologi Penulisan

Untuk dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini maka penulis menerapkan beberapa metode studi diantaranya :

1. Studi Literatur

Yaitu dengan membaca teori - teori yang berkaitan dengan topik Tugas Akhir ini dari buku - buku referensi baik yang dimiliki oleh penulis atau di perpustakaan dan juga dari artikel - artikel, jurnal, internet dan lain-lain. 2. Studi Bimbingan

Yaitu dengan melakukan diskusi tentang topik Tugas Akhir ini dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh pihak jurusan Teknik Elektro USU dan teman - teman sesama mahasiswa.

3. Studi Lapangan

(18)

I.5. Sistematika Penulisan

Tugas Akhir ini disusun berdasarkan sistematika sebagai berikut : BAB I : PENDAHULUAN

Bab ini berisikan tentang gambaran umum mengenai Tugas Akhir yang memuat latar belakang, penulisan judul, tujuan dan manfaat penulisan, batasan masalah, metodologi penulisan dan sistematika penulisan.

BAB II : TRANSFORMATOR

Bab ini berisikan tentang gambaran umum transformator, prinsip kerja transformator, arus magnetisasi dan karakteristik beban nol transformator, keadaan trafo terhubung singkat, keadaan transformator berbeban dan rugi – rugi transformator dan pemodelan trafo satu fasa dan tiga fasa.

BAB III: ARUS INRUSH, ARUS HUBUNG SINGKAT DAN PENGAMAN PADA TRANSFORMATOR

(19)

BAB IV: PERHITUNGAN ARUS INRUSH DAN ARUS HUBUNG SINGKAT PADA SISI PRIMER DAN SEKUNDER TRANSFORMATOR

Bab ini berisikan perhitungan rating pengaman (fuse), perhitungan arus inrush dan membandingkan terhadap arus nominal, perkiraan lama terjadinya arus inrush dan tundaan waktu minimum pengaman dan perhitungan besar arus gangguan 3 fasa ke tanah dan pengaruhnya terhadap pengaman utama dengan memasukkan data – data yang diperoleh.

BAB V: KESIMPULAN DAN SARAN

(20)

BAB II

TRANSFORMATOR

II.1. Umum

Transformator merupakan komponen yang sangat penting peranannya dalam sistem ketenagalistrikan. Transformator adalah suatu peralatan listrik elektromagnetis statis yang berfungsi untuk memindahkan dan mengubah daya listrik dari suatu rangkaian listrik ke rangkaian listrik lainnya, dengan frekuensi yang sama dan perbandingan transformasi tertentu melalui suatu gandengan magnet dan bekerja prinsip kerja induksi elektromagnetis dimana perbandingan tegangan antara sisi primer dan sisi sekunder berbanding lurus dengan perbandingan jumlah lilitan dan berbanding terbalik dengan perbandingan arusnya.

Arus yang besar akan menimbulkan rugi yang besar yaitu : P=I2R

(21)

II.2. Konstruksi Transformator

Pada dasarnya transformator terdiri dari kumparan primer dan sekunder yang dibelitkan pada inti ferromagnetik.

Konstruksi transformator ada dua tipe yaitu tipe inti ( core type ) dan tipe cangkang ( shell type ). Kedua tipe ini menggunakan inti berlaminasi yang terisolasi satu sama lainnya, dengan tujuan untuk mengurangi rugi - rugi arus eddy.

II.2.1. Tipe inti ( Core form )

Tipe inti ini dibentuk dari lapisan besi berisolasi berbentuk persegi dan kumparan transformatornya dibelitkan pada dua sisi persegi. Pada konstruksi tipe inti, lilitan mengelilingi inti besi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Konstruksi Transformator Tipe Inti ( core form )

(22)

Gambar 2.2. Konstruksi Lempengan Logam Inti Transformator Bentul L dan U

II.2.2. Tipe cangkang ( Shell form )

Jenis konstruksi transformator yang kedua yaitu tipe cangkang yang dibentuk dari lapisan inti berisolasi, dan kumparan dibelitkan di pusat inti. Pada transformator ini, kumparan atau belitan transformator dikelilingi oleh inti.

Gambar 2.3. Transformator Tipe Cangkang ( shell form )

Sedangkan konstruksi intinya umumnya berbentuk huruf E, huruf I atau huruf F seperti pada Gambar. 2.4.

(23)

II.3. Prinsip Kerja Transformator

Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat mengubah dan menyalurkan energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian ke rangkaian listrik yang lain melalui suatu gandengan megnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Transformator digunakan secara luas baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Penggunaan transformator dalam sistem tenaga memungkinkan terpilihnya tegangan yang sesuai dan ekonomis untuk tiap - tiap keperluan misalnya, kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya jarak jauh.

Transformator terdiri atas dua buah kumparan (primer dan sekunder) yang bersifat induktif. Kedua kumparan ini terpisah secara elektrik namun berhubungan secara magnetis melalui jalur yang memiliki reluktansi (reluctance ) 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 sendiri (self induction) dan terjadi pula induksi di kumparan sekunder karena pengaruh induksi dari kumparan primer atau disebut sebagai induksi bersama (mutual induction) yang menyebabkan timbulnya fluks magnet di kumparan sekunder, maka mengalirlah arus sekunder jika rangkaian sekunder dibebani sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetisasi ).

dt φ d N =

(24)

Dimana : e = gaya gerak listrik ( ggl ) [ volt ] N = jumlah lilitan

dt φ d

= perubahan fluks magnet

Perlu diingat bahwa hanya tegangan listrik arus bolak - balik yang dapat ditransformasikan oleh transformator. Sedangkan dalam bidang elektronika, transformator digunakan sebagai gandengan impedansi antara sumber dan beban untuk menghambat arus searah sambil tetap melakukan arus bolak - balik antara rangkaian.

Tujuan utama menggunakan inti pada transformator adalah untuk mengurangi reluktansi (tahanan magnetis) dari rangkaian magnetis (common

magnetic circuit )

II.3.1. Keadaan Transformator Tanpa Beban

Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber tegangan V1 yang sinusoidal, akan mengalirkan arus primer Io yang juga sinusoid

dan dengan menganggap belitan N1 reaktif murni. Io akan tertinggal 900 dari V1.

V1 I1

N1 _E

1

E2

N2 V2

φ

(25)

Arus primer Io menimbulkan fluks ( Ф ) yang sefasa dan juga berbentuk sinusoid Ф = Фmax sin ωt ... … (2.2)

Fluks yang sinusoidal ini akan menghasilkan tegangan. Induksi е1 (Hukum Faraday)

e1 = - N1 ωФmax cosωt ( Tertinggal 900 dari Ф ) ... (2.3)

Harga efektif

E1 = 4, 44 N1 f Фmax ... (2.4)

Bila rugi tahanan dan adanya fluksi adanya fluksi bocor diabaikan akan terdapat

hubungan a

N N V V E E

= = =

1 2

……….. (2.5)

II.3.2. Keadaan Berbeban

Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban ZL, I2 mengalir pada

kumparan sekunder, dimana I2 = V2 / ZL dengan θ2 = faktor kerja beban.

φ2

V1

I1

N1 _E

1

E2

N2

I2

V2 Z

φ1 φ2’

Gambar 2.6. Transformator dalam Keadaan Berbeban.

Arus beban I2 ini akan menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) N2 I2 yang cenderung menentang fluks (Ф) bersama yang telah ada akibat arus pemagnetan Im.

Agar fluks bersama itu tidak berubah nilainya, pada kumparan primer harus mengalir arus I2, yang menentang fluks yang dibangkitkan oleh arus beban I2, sehingga

keseluruhan arus yang mengalir pada kumparan primer menjadi :

(26)

II.4. Rangkaian Ekivalen Transformator

Tidak seluruh fluks yng dihasilkan oleh arus pemagnetan Im merupakan fluks bersama (ФM), sebagian darinya hanya mencakup kumparan pimer (Ф1) atau sekunder saja (Ф2) dalam model rangkaian (rangkaian ekivalen ) yang dipakai untuk menganalisis kerja satu transformator, adanya fluks bocor Ф1 dan Ф2 dengan

mengalami proses transformasi dapat ditunjukkan sebagai reaktansi Xek, sedangkan

rugi tahanan ditunjukan dengan Rek. Dengan demikian model rangkaian dapat

dituliskan seperti Gambar 2.7.

E

1

E

2

I

1

I

₂

I

0

R

1

X

1

R

₂

X

2

V

1

V

2

Z

_L

X

M

R

C

I

M

I

C

Gambar 2.7. Rangkaian Ekivalen Sebuah Transformator.

Parameter transformator yang terdapat pada model rangkaian (rangkaian ekivalen) Rc, Xm, Rek dan Xek dapat ditentukan besarnya dengan dua macam

pengukuran (test) yaitu pengukuran beban nol dan pengukuran hubungan singkat.

II.4.1. Pengukuran Beban Nol

Dalam keadaan tanpa beban bila kumparan primer dihubungkan dengan segera tegangan V1, maka hanya I0 yang mengalir dari pengukuran daya yang masuk

(27)

1 2 1 P V =

Rc ... (2.7)

m c

c m

1 1 0

jX + R

R jX = P V =

Z ... (2.8)

Dengan demikian, dari pengukuran beban nol dapat diketahui harga Rc dan Xm

II.4.2. Pengukuran Hubungan Singkat

Hubungan singkat berarti impedansi beban ZL diperkecil menjadi nol

sehingga hanya impedansi Zek = Rek + j Xek yang membatasi arus. Karena harga Rek dan Xek ini relatif kecil, harus dijaga agar tegangan masuk ( Vhs ) cukup kecil sehingga arus yang dihasilkan tidak melebihi arus nominal. Harga Io akan relatif kecil – kecil bila dibandingkan dengan arus nominal sehingga pada pengukuran ini dapat diabaikan.

Dengan mengukur tegangan Vhs, arus Ihs dan daya Phs, akan dapat dihitung parameter :

2 ) ( _hs

hs ek

I P

R = ... (2.9)

ek ek

hs hs

ek =R +jX

I V =

Z ... (2.10)

ek 2 ek 2

ek = Z R

(28)

II.5. Operasi Kerja Paralel Transformator

Pertambahan beban pada suatu saat menghendaki adanya kerja paralel diantara transformator. Tujuan utama kerja paralel adalah agar beban yang dipikul sebanding dengan kemampuan kVA masing – masing transformator, sehingga tidak terjadi pembebanan lebih dan pemanasan lebih.

Gambar 2.8. Rangkaian Dua Transformator Paralel.

Untuk maksud di atas diperlukan beberapa syarat yaitu : 1. Perbandingan tegangan harus sama.

Jika perbandingan tidak sama, maka tegangan induksi pada kumparan sekunder masing – masing transformator tidak sama. Perbedaan ini menyebabkan terjadinya arus pusar pada kumparan sekunder ketika transformator dibebani. Arus ini menimbulkan panas pada kumparan sekunder tersebut.

2. Polaritas transformator harus sama.

3. Tegangan impedansi pada keadaan beban penuh harus sama. Dari rangkaian ekivalen, bisa diketahui :

(29)

Dua transformator yang diparalelkan dapat digambarkan sebagai berikut : I1 total = I1A + I1B ... (2.13)

Karena

V1 = I1 Zek + V2' ... (2.14)

maka untuk keadaan beban penuh :

V1 – V2' = I1A Z1A = I1B Z1B ... (2.15)

Persamaan di atas mengandung arti, agar kedua transformator membagi beban sesuatu dengan kemampuan kVA – nya sehingga tegangan impedansi pada keadaan beban penuh kedua transformator tersebut harus sama ( I1A Z1B = I1B Z1B ).

Dengan demikian dapat juga dikatakan bahwa kedua transformator tersebut mempunyai impedansi per unit ( pu ) yang sama.

II.6. Rugi – Rugi dan Efisiensi

Blok diagram rugi – rugi transformator dapat dilihat pada Gambar 2.9.

Rugi Tembaga Rugi Tembaga

Rugi Besi Histeresis Dan Eddy Current

Gambar 2.9. Blok Diagram Rugi – Rugi pada Transformator. Sumber Kumparan

primer

Fluks Bersama

Kumparan Sekunder

(30)

1I.6.1. Rugi Tembaga ( Pcu )

Rugi yang disebabkan arus mengalir pada kawat tembaga dapat ditulis sebagai berikut :

Pcu = I2 R ... (2.16)

Formula ini merupakan perhitungan untuk pendekatan. Karena arus beban berubah – ubah, rugi tembaga juga tidak konstan bergantung pada beban. Dan perlu diperhatikan pula resistansi di sini merupakan resistansi AC.

II.6.2. Rugi Besi ( Pi )

Rugi besi terdiri atas :

• Rugi hysteresis, yaitu rugi yang disebabkan fluks bolak – balik pada inti besi yang dinyatakan sebagai :

Ph = kh . f . Bmaks1.6 watt ... (2.17) Kh = konstanta histeresis

Bmaks = Fluks maksimum ( weber )

• Rugi arus eddy , yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi. Dirumuskan sebagai :

Pe = ke f2 B2maks ... (2.18) Jadi, rugi besi ( rugi inti ) adalah :

(31)

Nilai dari rugi – rugi Transformator Distribusi menurut SPLN 50 tahun 1997 dapat dilihat pada Tabel 2.1.

Rating (kVA)

Rugi tembaga ( Pcu ) (watt)

Rugi besi ( Pi ) (watt)

25 700 115

50 1100 190

100 1750 320

160 2000 400

200 2850 550

315 3900 770

400 4600 930

680 6500 1300

800 10200 1950

1000 12100 2300

1250 15000 2700

1600 18100 3300

Tabel 2.1. Nilai Rugi – Rugi Transformator Distribusi

II.6.3. Efisiensi

Efisiensi dinyatakan sebagai :

∑

rugi +

P P = P P = η

out out

in out

... (2.20)

(32)

II.6.3.1. Perubahaan Efisiensi terhadap Beban

Perubahaan efisiensi terhadap beban dinyatakan sebagai :

2 1 ek 2 2 2

2

I P + R I + φ V

φ V =

η

cos cos

... (2.21)

Melalui penurunan persamaan di atas bisa dicari nilai efisiensi maksimum untuk beban tertentu yaitu pada saat rugi tembaga = rugi inti.

II.6.3.2. Perubahan Efisiensi terhadap Factor Kerja (Cos Ф) Beban

Perubahan efisiensi terhadap factor kerja (Cos Ф) beban dapat dinyatakan sebagai :

X + φ X 1

= η

cos ... (2.22)

Jika X = ∑ rugi / V2 I2 = konstan

Hubungan antara efisiensi dengan beban pada Cos Ф bisa dilihat pada Gambar 2.10

(33)

II.7. Persamaan Operasional Transformator Ideal

Arus listrik yang mengalir melalui hantaran, akan menimbulkan medan magnet pada sekitar lilitan, yang digambarkan sebagai garis - garis fluksi yang dinyatakan dengan symbol Ф dengan satuan besaran Weber. Besaran kerapatan medan magnet dinyatakan dengan banyaknya garis - garis fluksi yang melalui suatu bidang dengan luas tertentu (S) dan dinyatakan dengan simbol B dengan satuan besaran Weber/m2. Intensitas medan magnet disebut dengan kuat medan magnet dan dinyatakan dengan besaran fluksi dengan symbol H dalam satuan Ampere/m.

Hubungan antara kerapatan dan intensitas medan magnet adalah sebagai berikut :

H

B=µ. ………..(2.23)

dimana

μ

adalah permeabilitas media dengan besaran satuan Hendry/m dan sama dengan

μ

r

.

μ

o

-

μ

radalah permeabilitas relatif dari media.

-

μ

o permeabilitas udara yang mempunyai nilai 4πx10-7 H/m.

Besaran fluksi Ф yang dikaitkan dengan besaran kerapatan fluksi B mempunyai hubungan sebagai berikut :

B S•

=

φ ………(2.24)

Hubungan antara arus listrik I dan kuat medan dinyatakan dengan hukum Ampere sesuai dengan persamaan sebagai berikut :

(34)

Jika permeabilitas media pada persamaan 2.23 bernilai tak terhingga, maka tidak terdapat sirkulasi medan magnet akibatnya integral kuat medan H di sekeliling jalur tertutup adalah nol sehingga didapatkan persamaan sebagai berikut :

0 2 2 1

1i −N i =

N ………..(2.24)

Bila lilitan 1 dihubungkan dengan sumber tegangan dan lilitan 2 terbuka (tanpa beban) maka akan mengalir arus yang akan menghasilkan tegangan induks i sebagai akibat dari fluksi yang timbul pada masing - masing lilitan. Arus yang mengalir pada lilitan 1 pada kondisi tersebut disebut juga sebagai arus eksitasi. Dari kondisi tersebut, persamaan operasional transformator dapat ditulis sebagai berikut :

2 2 1 1i N i

N = ………(2.25)

1 1

1 e

dt d N

V = φ =− ………....(2.26)

2 2

2 e

dt d N

V =− φ = ………..(2.27)

Rasio tegangan transformator dapat diturunkan dari persaman 2.26 dan 2.27 dan diperoleh :

1 2

N N V V

a= = ……… (2.28)

dimana k adalah konstanta pengenal dari rasio tegangan transformator : - Jika N2 > N1 atau a > 1 , maka transformator ini disebut trafo step up.

(35)

II.7.1. Transformator Fasa Satu

Dengan mengabaikan rangkaian magnetisasi pada rangkaian ganti transformator, pemodelan transformator dilakukan dengan pengelompokan parameter yang dibutuhkan (reaktansi dan induktansi).

Gambar 2.11. Model Transformator 1 Fasa

II.7.2. Transformator Tiga Fasa

(36)

tegangan, daya) transformator tiga fasa dikaitkan dengan nilai 3 (seperti pada persamaan listrik arus bolak – balik). Gambar di bawah ini adalah pemodelan trafo 3 fasa yang dihubungkan bintang Y dan delta ∆.

I

B

I

C

I

N

I

B

I

C

I

BC

I

AB

I

CA

(37)

BAB III

ARUS INRUSH, ARUS HUBUNG SINGKAT DAN PENGAMAN TRANSFORMATOR DISTRIBUSI

III.1. Umum

Pada saat transformator dihubungkan terhadap suatu sumber tegangan (energize) akan mengalir arus yang cukup besar dengan periode waktu yang sangat singkat sampai tercapai kondisi steady state (tunak). Arus awal ini disebut sebagai arus inrush dan besarnya dapat mencapai 8 sampai 30 kali arus nominal. Arus inrush ini perlu mendapat perhatian khusus karena pengaruhnya dapat mengganggu pengoperasian relay/pengaman, tergantung keadaan awal saat transformator tersebut dihubungkan dan ketahanan pengaman untuk tidak bekerja sampai waktu tertentu.

III.2. Arus Inrush III2.1 Arus Eksitasi

Arus eksitasi yang timbul pada transformator dalam keadaan tanpa beban terdiri dari dua komponen, yaitu komponen rugi - rugi dan komponen magnetisasi. Komponen rugi - rugi hanya tergantung terhadap rugi - rugi operasi tanpa beban, sedangkan komponen magnetisasi tergantung terhadap jumlah lilitan primer, bentuk kurva kejenuhan (saturasi) dan kepadatan fluks maksimum yang diizinkan.

III.2.2. Komponen Magnetisasi

(38)

dt d N Ri

e= + ₁ φ ………. (3.1)

Tahanan normal R dan harga arus sesaat I biasanya kecil, dengan sendirinya harga Ri kecil sehingga dalam pembahasan berikut ini harga tersebut diabaikan dan persamaan sekarang adalah :

dt d N

e= 1 φ ……….…(3.2)

jika tegangan yang diberikan merupakan gelombang sinus, maka : 2

− =

e E sin

(

ωt+ϕ

)

………..(3.3)

maka persamaan (3.2) disubstitusikan dengan persamaan (3.3) sehingga didapat persamaan :

2

− E sin

(

ωt+ϕ

)

=

dt d

N₁ φ ………... (3.4)

dari persamaan (3.4) ini sehingga didapatkan harga fluks :

(

t

)

t

E

N ω ϕ φ

ω

φ = 2 cos + +

1

……….…….(3.5)

-

(

ω ϕ

)

ωN t+

E cos 2

1

: adalah karakteristik fluks dalam inti transformator pada kondisi

steady state (tunak).

(39)

Dari persamaan (3.5) dapat diketahui bahwa fluks normal pada kondisi steady state merupakan gelombang sinus yang terbelakang 900 terhadap gelombang sinus tegangan sumber. Jika didalam rangkaian magnet transformator tidak terjadi kejenuhan, maka arus magnetisasi akan berbanding langsung perubahan fluks, dan akan menghasilkan gelombang sinusoida arus magnetisasi yang sefasa terhadap fluks. Dalam keadaan jenuh arus magnetisasi tidak lagi merupakan gelombang sinusoidal yang murni karena gelombang ini telah dipengaruhi oleh karakteristik kurva B-H dari rangkaian magnetik.

[image:39.595.223.502.361.608.2]

Dari Gambar 3.1 terlihat bahwa meskipun fluks adalah gelombang sinus, namun gelombang arus terlihat mengandung komponen harmonik yang merupakan harmonik ketiga. Besarnya arus eksitasi sangat bergantung dari ukuran dan tingkat tegangan pada transformator.

(40)

III.2.3. Fenomena Arus Inrush

Pada saat transformator dihubungkan terhadap suatu sumber tegangan (energize) akan mengalir arus yang cukup besar dengan periode waktu yang sangat singkat sampai tercapai kondisi steady state. Arus awal ini disebut sebagai arus inrush dan besarnya dapat mencapai 8 sampai 30 kali arus nominal. Arus inrush ini perlu mendapat perhatian khusus karena pengaruhnya dapat mengganggu pengoperasian pengaman, tergantung keadaan awal saat transformator tersebut dihubungkan.

Faktor - faktor yang mempengaruhi besar dan lamanya arus inrush ini antara lain adalah magnitude tegangan suplay saat energize, flux sisa pada inti trafo dan impedansi sumber dan impedansi sistem.

Analisa fenomena arus inrush akibat energizing transformator dilakukan dengan memperhitungkan karakteristik fluks pada rangkaian magnet sehingga dari padanya dapat diturunkan besar arus yang mungkin terjadi. Seperti telah dijelaskan pada persamaan 3.5, fluks total pada inti transformator merupakan penjumlahan antara fluks normal pada kondisi steady state dengan komponen fluks transient. Melalui persamaan tersebut diharapkan langsung dapat ditentukan besar fluks transient saat transformator dienergize.

Karena komponen E

N₁

2

ω dari persamaan 3.5. merupakan harga puncak (φm)

dari fluks normal pada kondisi tunak (steady state), maka persamaan (3.5) tersebut dapat ditulis sebagai persamaan berikut :

(

ω ϕ

)

φ φ

(41)

Pada saat t = 0 (energize), fluks yang timbul adalah :

0 0 φmcosϕ φt

φ =− + ……….(3.7)

sudut ϕ tergantung terhadap harga sesaat tegangan, ketika menghubungkan rangkaian sumber pada transformator (energize).

Bila dihubungkan pada saat titik gelombang tegangan sama dengan nol, maka sudut ϕ sama dengan nol, sedangkan bila dihubungkan pada saat titik gelombang tegangan maksimum, maka sudut ϕ sama dengan 900. Dalam kondisi energize dilakukan saat pada inti tidak ada terdapat fluks magnet sisa dan ketika gelombang tegangan berada pada posisi maksimum, maka φ₀ dan cosϕ sama dengan nol dan akibatnya φt0 akan juga sama dengan nol. Dalam keadaan seperti ini tidak terjadi transient dan arus inrush tidak timbul. Namun, bila transformator dihubungkan pada saat titik gelombang tegangan sama dengan nol, tanpa magnet sisa, maka :

0 =

ϕ , maka −φ_mcosϕ =−φ_m

0

φ = 0 dan φ_t₀ = φ_m,

harga φ_t₀ disubtitusikan ke persamaan (3.6) diperoleh harga fluks sebesar :

t t

m ω φ

φ

φ = cos + ………(3.8)

Sedangkan bila penutupan switch terjadi pada saat gelombang tegangan sama dengan nol dan dalam inti terdapat magnet sisa, maka besarnya fluks yang timbul adalah :

R

φ φ ±0 =

φ φ

(42)

Harga ini disubstitusikan ke persamaaan (3.8) dan diperoleh harga fluks total sebesar :

R m

m ωt φ φ

φ

φ = cos + ± ……….(3.9)

Gelombang fluks berdasarkan persamaan (3.9) dapat diplot seperti Gambar 3.2.

Gambar 3.2. Fluks pada Transformator saat Kondisi Transient

(43)

III.2.4. Perhitungan Arus Inrush

[image:43.595.151.490.338.564.2]

Saat transformator belum dihubungkan, arus exitasi mengalir dari kurva hysteresis ke nol. Sedangkan kerapatan fluks (Br) ada nilainya dan ini namanya fluks sisa. Dari gambar 3.3 jika transformator beroperasi, arus eksitasi (i) dan kerapatan fluks mengalir ke kurva titik – titik. Setelah dienergize (t=0+) fluks harus ditambahkan terhadap fluks sesaat sebelum dienergize (t =0-). Sebab itu kerapatan fluks sebagai ganti dari nilai negatif (-Bmp), mulai dari +Br sampai nilai positif (Br+2Bmp) membawa inti ke titik saturasi.

Gambar 3.3. Arus Inrush Maksimum

(44)

Nilai arus tersebut akan dicapai akibat tingginya tingkat kejenuhan sudut dari sirkuit magnet transformator yang dipergunakan. Rugi - rugi (loss) menjadi penting karena losses dalam transformator dapat mengurangi arus inrush maksimum dan menurunkan arus eksitasi sampai pada kondisi normal yang keluar setelah periode waktu tertentu. Rugi - rugi yang dimaksud adalah akibat resistansi rangkaian suplay dan resistansi rugi - rugi inti transformator.

Gambar 3.4 merupakan arus inrush transformator fasa tunggal yang dienergize saat gelombang tegangan suplay sama dengan nol.

Gambar 3.4. Arus Transient pada saat Transformator Energize

(45)

Untuk menentukan harga puncak arus inrush maka digunakan persamaan sebagai berikut :

Besar nilai sudut penyalaan adalah :

    

 

 − −

= −

mp r mp s

B B B B

k1 1

1 cos

θ ……….(3.10)

Dimana :

k1 : Faktor koreksi sudut sebesar 0.9.

Bs : Kerapatan fluks jenuh (tergantung bahan material inti) (Tesla)

Bmp : Kerapatan fluks maksimum (Tesla)

Br : Kerapatan fluks sisa maksimum(Tesla) Br = 0,8xBmp (for cold rolled material) Br = 0,6xBmp (for hot rolled material)

Dimana _

  

  =

f A N

E Bmp

w.

. . 44 ,

4 1

1 _{……… ………(3.11)}

harga puncak arus inrush pada cicle pertama adalah :

(

1

)

2

max 1 cos

2 .

θ

− =

s

X V K

I ………..…..(3.12)

Reaktansi udara Xs= µo

  

 hw

Aw

N2

x 2 π f……...………(3.13)

Dimana :

N : Jumlah belitan darimana trafo dienergize(primer) Aw : Luas yang dibentuk belitan ( πd/4 ) m 2

(46)

Energize/switching pada transformator yang menyebabkan terjadinya perubahan kondisi fluks seketika dan menyebabkan mengalirnya arus magnetisasi yang besar yang mempunyai bentuk tertentu karena arus magnetisasi tidak dapat secara langsung mencapai bentuk gelombang normal steady state. Pada saat pemasukan Transformator berbeban ataupun tanpa beban merupakan perubahan fluksi seketika sehingga akan terjadi gejala inrush mangnetisasi tersebut, yang akibatnya ada arus inrush yang nilainya pada sisi primer tidak ekivalen dengan sisi sekunder, dan pada saat inilah arus inrush terbesar.

III.2.5. Komponen Harmonik Arus Inrush pada Transformator

[image:46.595.179.462.474.728.2]

(47)

[image:47.595.148.471.396.718.2]

Jika fluks dalam rangkaian magnet transformator adalah sinusoidal, arus yang keluar akan mengandung komponen harmonik ketiga. Jika komponen ini tidak mengalir karena transformator atau hubungan sistem, fluks akan mengandung komponen harmonik ketiga. Fluks yang mempunyai harmonik ketiga ini akan masuk ke lilitan, menginduksi harmonik ketiga tegangan dalam lilitan transformator. Harmonik arus menyebabkan peningkatan rugi - rugi tembaga dan rugi - rugi fluks sedangkan harmonik tegangan menyebabkan peningkatan rugi - rugi inti besi. Selain itu harmonik pada transformator akan menyebabkan transformator mengalami saturasi/kejenuhan. Selain arus inrush tersebut dapat menyebabkan kegagalan kerja proteksi pada Transformator, arus inrush ini juga membawa komponen harmonik.

(48)

III.2.6. Lama Terjadinya Arus Inrush

Pada instalasi normal transformator, fenomena terjadinya arus inrush harus diperhatikan untuk memilih sistem proteksi yang tepat. Setelah menghitung nilai arus inrush maksimum selanjutnya dapat kita tentukan kira – kira berapa lama waktu terjadinya arus inrush dan berapa lama tundaan waktu minimum untuk kerja relay saat terjadinya arus inrush tersebut. Dalam menentukan/memperkirakan berapa lama waktu terjadinya arus inrush pada transformator MV/LV dapat menggunakan Tabel 3.1 yang nantinya akan dipergunakan untuk menentukan waktu tunda minimum (minimum delay time) untuk menghindari trip/ bekerjanya alat proteksi.

Dari Tabel 3.1 dapat kita lihat bahwa semakin besar kapasitas trafo nilai

τ

inrush (s) semakin besar. Akan tetapi untuk mendapatkan perkiraan waktu tunda minimum selama arus inrush tersebut kita harus membandingkan nilai setting relay terhadap nilai arus puncak inrush. Selanjutnya nilai perbandingan tersebut kita lihat pada kurva untuk menentukan tundaan minimum waktu kerja pengaman.

Daya ( KVA) τ inrush ( s)

200 0.15

250 0.18

315 0.2

400 –500 0.25

630 0.26

800-1000 0.3

1250 0.35

1600 0.4

2000 0.4

(49)

Apabila nilai setting proteksi adalah Ir’ dan nilai arus inrush maksimum Ip(inrush) maka hasil nilai perbandingan antara nilai setting proteksi dengan nilai

arus inrush maximum

) (

'

inrush Ip

Ir

dapat dipergunakan untuk mendapatkan nilai

perbandingan minimum waktu tunda alat proteksi terhadap waktu terjadinya

τ

inrush ( s) maka kita lihat titik

) (inrush

tr

[image:49.595.149.483.275.747.2]

τ dari grafik pada Gambar 3.7.

Gambar 3.7. Grafik perbandingan

) (

'

inrush Ip

Ir

terhadap

) (inrush

tr

(50)

Sebagai contoh apabila kita mendapatkan nilai

) (

'

inrush Ip

Ir

misalnya bernilai

0.1 maka kita akan dapat melihat dari kurva nilai

) (inrush

tr

τ adalah 1.82. Maka nilai

minimum delay time adalah 1.82 x

τ

inrush ( s).

Apabila transformatornya berkapasitas 200 KVA maka minimum delay time pengaman adalah 1,82 x 0,15 = 0,273 sekon

III.3. Arus Hubung Singkat

Berdasarkan penyebab gangguan – gangguan pada sistem tenaga listrik dapat dibagi menjadi dua yaitu :

a. Gangguan Tegangan Lebih

Gangguan tegangan lebih pada umumnya diakibatkan oleh sambaran petir ke sistem baik langsung maupun tidak langsung. Perubahan arus yang sangat cepat dan faktor induktansi dari saluran menyebabkan timbulnya tegangan pada saluran.

b. Gangguan Arus Lebih

(51)

Gangguan hubung singkat bisa saja terjadi di dalam kumparan transformator dan bisa juga di luar kumparan transformator baik itu simetris juga tidak simetris. Gangguan hubung singkat mengakibatkan terjadinya arus yang tidak seimbang atau tidak simetris.

Metoda komponen simetris berguna untuk menentukan besarnya arus hubung singkat. Jatuh tegangan disebabkan oleh arus dengan urutan tertentu. Impedansi suatu rangkaian yang hanya mengalir urutan positif disebut dengan istilah impedansi urutan positif. Begitu pula untuk impedansi urutan negatif dan impedansi urutan nol.

Tujuan untuk mendapatkan nilai impedansi urutan sistem daya adalah untuk dapat menunjukan semua aliran arus. Dalam menghitung besarnya arus gangguan biasanya menggunakan langkah-langkah sebagai berikut yaitu : menentukan besarnya impedansi urutan positif, negatif dan nol, dimana impedansi urutan nol digunakan untuk menghitung besarnya arus gangguan tanah.

Untuk analisa gangguan hubung singkat digunakan perhitungan hubung singkat yang mengacu pada perhitungan arus dan tegangan pada suatu sistem tenaga listrik pada keadaan gangguan hubung singkat.

Metoda komponen simetris digunakan dalam perhitungan yang berhubungan dengan keadaan yang tidak seimbang pada jaringan tiga fasa, dan secara khususnya untuk perhitungan hubung singkat yang tidak seimbang pada jaringan listrik.

(52)

seolah - olah seimbang sehingga analisa dan perhitungan menjadi lebih sederhana dan mudah.

Berikut komponen - komponen urutan yang berguna untuk menganalisa gangguan hubung singkat pada sistem tiga fasa :

1. Komponen urutan positif, yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya dan berbeda sudut 120° dan mempunyai urutan yang sama dengan fasa aslinya.

2. Komponen urutan negatif, yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya dan sudut yang berbeda 120° dan mempunyai fasor urutan fasa yang berlawanan dengan fasa aslinya.

3. Komponen urutan nol, yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya dan berbeda fasa 0°.

Gambar 3.8. Vektor Diagram untuk Komponen Urutan Vb1

Vc1 Va1

Vc2

Va2

Vb2

Va0

Vb0

(53)

Ada 4 kemungkinan gangguan hubung singkat yang terjadi pada transformator dengan persentasi keseringan terjadinya.

- gangguan 3 fasa 5% - gangguan fasa-fasa (L – L) 15% - gangguan Fasa-fasa ketanah (2L-G) 10% - gangguan satu fasa ketanah (SLG) 70%

Persamaan komponen simetris diatas akan sangat bermanfaat untuk analisis hubung singkat yang terjadi pada jaringan dengan berbagai bentuk gangguan yang tidak seimbang misalnya pada saat terjadi hubung singkat ketanah atau hubung singkat antar fasa.

III.3.1. Analisa Gangguan Tiga Fasa dengan Metode Thevenin

Pada kondisi gangguan Tiga fasa rangkaian urutan hanya terdiri dari rangkaian urutan positif saja. Analisis gangguan hubung singkat tiga phasa pada sistem tenaga listrik dpat diselesaikan denga mudah denga teori rangkaian biasa seperti loop. Tetapi untuk sistem dengan bus yang banyak akan terlalu rumit apabila diselesaikan dengan teori loop. Untuk itu akan lebih mudah apabila kita menggunakan metode thevenin.

(54)

Vth

Ith

F

N

Z

Gambar 3.9. Model rangkaian Thevenin

Cara untuk mendapatkan Vth dan Z dari rangkaian yang rumit, untuk menentukan Vth adalah dengan memperhatikan rangkaian thevenin diatas dimana tidak ada arus yang mengalir melalui Z apabila terminal antara F dan N dibuka (open circuit), karena itu tidak ada tegangan jatuh pada Z.dengan demikian maka tegangan Vth adalah tegangan antara titik F-N. Untuk mendapatkan nilai impedansi Z lebih sulit dimana Z sama dengan impedansi total yang diukur antara titik F dan N apabila semua tegangan apabila semua tegangan dianggap nol (dihubung singkat).

Biasanya metode untuk menghitung harga Z tersebut adalah dengan mereduksi rangkaian impedansi seperti :

1. Menjumlahkan impedansi – impedansi yang terhubung seri, misalnya Za seri terhadap Zb maka Z total adalah Za +Zb

2. Kombinasikan impedansi – impedansi yang terhubung pararel yang dihubungkan 1. Misalnya Za pararel Zb maka Z total = ZaxZb/Za+Zb 3. Transformasikan dari bentuk delta ke Y dan sebaliknya.

(55)

III.4. Pengaman Pada Transformator

Sebaik apapun suatu sistem tenaga listrik dirancang gangguan pasti akan terjadi pada sistem tenaga tersebut. Gangguan ini dapat merusak peralatan sistem tenaga sehingga kerja sistem tenaga menjadi terganggu dan dapat mengakibatkan gagalnya penyaluran daya ke konsumen. Pengaman transformator dipasang untuk mencegah transformator dari kerusakan akibat gangguan yang terjadi pada transformator tersebut. Pertimbangan perencanaan harus memperhatikan hal - hal berikut dalam memasang jenis pengaman, antara lain :

1. Jenis Transformator yang Diamankan 2. Ukuran Transformator

3. Jenis Pendingin 4. Lokasi Pemakaian 5. Prioritas Pelayanan

Untuk memilih proteksi arus lebih pada trafo perlu diperhatikan :

a. Arus magnetisasi inrush, Relay IDMT ( inverse definite minimum time ) yang mempunyai waktu tunda yang cukup . Jika relay sesaat yang digunakan maka harus diset pada harga yang tinggi.

a. Arus gangguan pada sisi primer dan pada sisi sekunder transformator berbeda untuk gangguan fasa ke fasa, harga paling rendah dipilih untuk setting relay arus lebih.

(56)

c. Setting relay IDMT umumnya 125% dari rating trafo untuk mengatasi overload.

d. Setting relay arus lebih sesaat pada sisi primer harus lebih tinggi dari arus tak simetris bila gangguan tiga fasa di sisi sekunder.

III.4.1. Pengaman Transformator Distribusi

Agar suatu sistem distribusi dapat befungsi secara baik, gangguan – gangguan yang terjadi tiap - tiap bagian harus dapat dideteksi dan dipisahkan dari sistem lain dalam waktu yang secepatnya. Dengan alasan ekonomi pengaman utama yang digunakan pada trafo distribusi terdiri atas fuse, dan ligting arester untuk mengatasi gangguan sambaran petir. Keberhasilan berfungsinya proteksi memerlukan adanya suatu koordinasi antara berbagai alat proteksi yang dipakai. Penempatan LA dan fuse pada trafo tiang dapat dilihat pada gambar 3.10.

(57)

MERK

FUSE CUT OUT

CROSS ARM

TRAFO DISTRIBUSI

L.V.C

LIGHTNING ARRESTER

[image:57.595.145.476.112.670.2]

CROSS ARM

(58)

Arus I

a b

Waktu t I

[image:58.595.188.466.115.360.2]

ta tb

Gambar 3.11. Karakteristik Arus - Waktu antara Dua Sekring a. Sekring cepat

b. Sekring lambat

Gambar 3.11 memperlihatkan karakteristik sekring yang memiliki ciri-ciri yang berbeda. Misalnya pada arus I1 sekring a akan mencair setelah waktu ta detik sedangkan sekring b setelah tb detik. Jelas tb lebih lama dari ta. Dikatakan bahwa a merupakan sekring cepat dan b merupakan sekring lambat. Sifat demikian dinamakan koordinasi dalam suatu sistem.

(59)

[image:59.595.207.431.144.581.2]

Contoh Single line pengaman trafo distribusi dapat dilihat pada Gambar 3.12.

Gambar 3.12. Single Line Pengaman Trafo Distribusi 200 kVA

(60)

berbagai macam tipe. Dan kebanyakan merek yang digunakan PT.PLN saat ini adalah merek Kearney.

1. Tipe K

Fuse links tipe K dikenal dengan fuse yang bekerjanya cepat. Nominal speed rationya adalah 7. Fuse ini mempunyai setelan waktu kerja yang cepat.

2. Tipe 200 (N)

Fuse links tipe 200(N) termaksud dalam jenis medium speeds fuse dengan nominal ratio 10. Fuse tipe ini mampu menahan arus yang lebih besar dari tipe K.

3. Tipe QA

Fuse links tipe QA juga termaksud dalam jenis medium speed fuse links dengan nominal ratio 10. Fuse ini akan memikul rated arus gangguan 100% tanpa kerusakan dan memberikan koordinasi yang bagus untuk relay dan recloser.

4. Tipe T

Jenis Fuse links tipe T termaksud dalam kelas slow fuse links. Waktu bekerjanya lebih lambat dari fuse links tipe 200 (N) dan tipe QA dengan nominal ratio fuse 12.

5. Tipe KS

(61)

besar. Waktu bekerjanya lebih lambat dari fuse links tipe T. Fuse ini Nominal ratio fuse tipe ini adalah 20. Fuse ini cocok untuk line fusing dan proteksi trafo.

6. Tipe X

Jenis fuse links tipe X termaksud dalam kelas Ekstra slow fuse links. Fuse links ini khusus dirancang untuk proteksi transformator. Fuse ini juga mengunakan element konstruksi ganda untuk menyediakan karakteristik Arus – waktu yang lebih teliti. Keenam jenis karakteristik fuse links merek Kearney tersebut dapat digunakan sesuai dengan kebutuhan koordinasi. Apabila kita membutuhkan kerjanya yang cepat kita bisa memilih fuse links tipe K dan apabila kita memilih kerja yang lebih lambat kita bisa menggunakan fuse links tipe lain

Speed Ratio Fuse dapat dilihat pada Tabel 3.2. Tin Element(S)

Slow T

Dual elelment

Designation Fast Medium Slow Very Slow Extra Slow

Type K 200,QA T KS X

Speed ratio 6-8 7-11 10-13 20 32

(62)

Untuk mengamankan trafo ke sisi tegangan menengah digunakan fuse links dan untuk tegangan rendah digunakan NT( NH) fuse. Nilainya disesuaikan dengan rating arus nominal di kedua sisi. Makin besar nilai nominalnya rating fuse yang digunakan juga semakin besar. Berbagai rating pengaman (fuse) yang digunakan PT. PLN pada trafo distribusi dapat dilihat pada Tabel 3.3.

NO

KAPASITAS TRAFO

(KVA)

JTM

FUSE LINKS (A)

JTR

NT FUSE UTAMA (A)

1 10 3 25

2 16 3 25

3 25 3 35

4 32 3 50

5 50 3 80

6 100 3 160

7 160 5 250

8 200 6 300

9 250 8 400

10 315 10 500

11 400 15 630

[image:62.595.148.492.303.590.2]

12 600 20 900

(63)

[image:63.595.115.522.189.582.2]

Kontruksi fuse links dapat dilihat pada gambar 3.13.

Gambar 3.13. Tipe Fuse Link untuk Pemasangan Luar. a. Fuse Link <10 A

(64)

III.4.2. Pemilihan dan Penggunaan Pelebur (sekring) pada Transformator Distribusi

Fuse merupakan suatu alat pemutus yang dengan meleburnya bagian dari komponennya yang telah dirancang khusus dan disesuaikan ukurannya untuk itu, membuka rangkaian dimana pelebur tersebut terpasang dan akan memutuskan arus bila arus tersebut melebihi suatu nilai tertentu dalam waktu yang cukup (tertentu).

Sesuai dengan SPLN 64 tahun 1985 dalam pemilihan fuse perlu diperhatikan hal–hal sebagai berikut :

1. Rating ( angka pengenal )

Rating merupakan angka yang memberikan batasan pada penampilan kerja dan merupakan dasar dari desain dan pengujian.

2. Arus Perkiraan ( Prosfektif Current )

Merupakan arus yang seharusnya mengalir pada rangkaian bila fuse (pelebur) diganti dengan penghantar yang impedansinya dapat diabaikan.

3. Arus Pengenal Fuse Links

Merupakan besar arus yang bisa dilewatkan fuse links secara continue tanpa mengakibatkan kenaikan suhu yang telah ditentukan pada suhu udara keliling tidak lebih dari 40 derajat.

4. Arus Pemutus Perkiraan (Prospective Breaking Current)

(65)

5. Kemampuan Pemutusan (Breaking Capacity)

Merupakan nilai arus pemutusan perkiraan yang mampu diputuskan oleh pelebur pada tegangan yang ditetapkan menurut kondisi kerja dan karakteristik yang telah ditentukan (A).

6. Arus Terpotong (Cut of Current)

Merupakan Arus sesaat maksimum yang terjadi selama operasi pemutusan pelebur (fuse) (A).

7. Waktu pra busur/ Leleh (Pre Arcing Time or Melting Time)

Waktu antara permulaan timbulnya arus gangguan yang menyebabkan rusaknya element pelebur sampai timbulnya busur permulaan (detik).

8. Waktu Busur (Arcing Time)

Merupakan waktu antara timbulnya busur permulaan sampai saat padamnya busur (detik).

9. Total Waktu Pemutusan ( Clearing Time)

Merupakan waktu mulai timbulnya arus gangguan sampai saat pemutusan arus gangguan. Atau dapat dikatakan jumlah waktu pra busur dan waktu busur. 10. Karakteristik Waktu/Arus

Kurva yang menggambarkan waktu sebagai fungsi dari nilai efektif dari arus perkiraan menurut kondisi operasi yang telah ditentukan.

(66)

11. Arus Lebih

Arus yang timbul akibat adanya hubung singkat pada peralatan yang diamankan. 12. Beban Lebih

Beban/arus lebih yang melebihi nominalnya yang untuk waktu tertentu dapat diijinkan untuk kepentingan pengusahaan (A).

13. Recovery Voltage

Tegangan yang timbul antara terminal pelebur setelah pemutusan. 14. Tegangan Pulih Transient : Tegangan pulih selama masa transient.

15. Tegangan hubung (Switcing Voltage) : tegangan sesaat maksimum yang timbul pada terminal pelebur ketika pelebur bekerja.

16. Faktor pelebur (Fusing Factor)

) ( ) (min)(

A s alfuselink Aruspengen

A Aruslebur

bur

faktorpele =

Pada umumnya faktor lebur>1

17. Rasio Lebur (Fusing Ratio) pengaman trafo

) (

A enuhTrafo ArusBebanP

A s alFuselink Aruspengen

RasioLebur=

18. Ratio Kecepatan (Speed Ratio)

det) 300 (

det) 1 , 0 (

*

==

=

t inimum ArusLelehM

SpeedRatio

Nilai t = *

600 detik untuk arus pengenal fuse links >100A. 19. Fuse Base (Rumah Pelebur)

(67)

20. Anak Pelebur (Fuse Links)

Bagian yang dapat diganti – ganti dari pelebur (termaksud elemennya), bila pelebur telah bekerja.

21. Pemikul Batang Pelebur (Fuse Carier)

Bagian tetap pelebur yang berfungsi sebagai pengikat/pemikul batang pelebur.

[image:67.595.188.472.369.708.2]

Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 3.14 dan 3.15.

(68)

[image:68.595.177.470.111.464.2]

Gambar 3.15 . Pelebur Jenis Letupan Kelas 2 Tipe Jatuh.

Sesuai dengan SPLN 64 : 1984 Ketentuan pengaman Trafo Distribusi adalah sebagai berikut :

1. Dilihat dari karakteristik waktu – arusnya maka pengamanan untuk Trafo Distribusi dibatasi oleh dua garis kerja.

(69)

- Beban lebih (Beban maksimum)

- Arus beban peralihan (cold load pick up)

- Hubung singkat JTR (Jaringan Tegangan Rendah) - Arus inrush trafo

1.2 Garis kedua (garis batas ketahan trafo) yang merupakan batas ketahanan trafo dimana fuse (pelebur) harus sudah bekerja/memutus. Gangguan yang dapat melebihi batas tersebut adalah gangguan hubung singkat disisi primer atau sekunder trafo.

2. Garis batas ketahanan Trafo distribusi umum ditentukan oleh titik – titik berikut : - 2 x In selama 100detik – beban lebih

- 3 x In selama10 detik – beban peralihan - 6 x In selama 1 detik – beban peralihan - 15 x In selama 0,1 detik – arus inrush trafo - 25 x In selama 0,01 detik – arus inrush trafo

Dengan catatan apabila sebagian besar beban trafo adalah motor listrik, garis batas tersebut harus digeser pada titik – titik berikut :

- 3 x In selama 100 detik - 6 x In selama 10 detik - 10 x In selama 1 detik

(70)

3. Ketahanan pelebur terhadap surja kilat

Bagi trafo – trafo daya kecil pemilihan pelebur harus memperhatikan ketahanan terhadap arus surja kilat.

[image:70.595.134.512.238.684.2]

- minimum 74 A selama 0,01 detik untuk surja kilat 2 kA. - minimum 370 A selama 0,01 detik untuk surja kilat 10 kA.

(71)

4. Garis batas ketahanan trafo ditentukan oleh titik – titik berikut : Untuk arus lebih, hubung singkat pada Jaringan Tegangan Rendah :

- 3 x In selama 300 detik - 4,75 x In selama 60 detik - 6,7 x In selama 30 detik - 11,3 x In selama 10 detik Hubung singkat pada trafo :

25 x In selama 2 detik* dan garis I .2t = 1250

Dimana

Inom an arusganggu If

I = ( ) dan t = waktu pemutusan maksimum (detik)

Sesuai SPLN 50 tahun 1982 batas awal ketahanan hubung singkat untuk berbagai ukuran Trafo Distribusi dapat dilihat pada Tabel 3.4.

Daya (kVA) Z(%) I ( x In) t (detik)

<630 4 25 2

800 4,5 22,22 2,53

1000 5 20 3,125

1250 5,5 18,18 3,78

1600 6 16,67 4,5

Tabel 3.4. Batas Awal Ketahanan Hubung Singkat Trafo Distribusi

(72)

Trafo distribusi

Pelebur/tipe **) Arus pengenal

(A)

Ratio pelebur

trafo Inom

pelebur Inom

, , Daya

pengenal (KVA)

Arus pengenal

(KVA)

minimum maksimum

Fasa tunggal, 3 20

kV

16 1,3856 2 H 2 H 1,44

25 2,1651 3,15 H 3,15 H 1,45

30 4,3301 5 H 6,3 T 1,15 ; 1,45

Fasa tiga, 20 kV minimum maksimum

trafo Inom

pelebur Inom

, ,

50 1,4434 2 H 2 H 1,38

[image:72.595.132.504.136.599.2]

100 2,8867 5 H 6,3 K ; 6,3 T 1,73 ; 2,18 160 4,6188 6,3 T 8 K ; 8 T 1,36 ; 1,73 200 5,7735 6,3 T 10 K ; 10 T 1,091 ; 1,73 250 7,2169 8 T 12,5 K ; 12,5 T 1,10 ; 1,73 315 9.0933 10 T 12,5 K ; 12,5 T 1,09 ; 1,37 400 11,5470 12,5 T 16 K ; 16 T 1,08 ; 1,38 500 14,4337 16 T 20 K ; 20 T 1,10 ; 1,38 630 18,1865 20 T 25 K ; 25 T 1,09 ; 1,37 800 23,0940 25 T 31,5 K ; 31,5 T 1,08 ; 1,36 1000 28,8675 31,5 T 40 K ; 40 T 1,09 ; 1,38

Tabel 3.5 . Rekomendasi Arus Pengenal 24 kV Jenis Letupan Sebagai Pengaman Trafo Distribusi di Sisi Primer

(73)

Catatan

*) Bila pada sisi sekunder dipasang pelebur/pengaman yang dikoordinasikan

dengan kerja pelebur sisi primer, maka arus pengenal pelebur pada tabel diatas

akan bergeser naik.

**) Tipe H = pelebur tahan surja petir

Tipe T = pelebur lambat

Tipe K = pelebur cepat

6. Bila diperlukan pelebur jenis pembatas arus (current limiting, HRC) sebagai pengaman trafo distribusi, mengingat kecilnya ratio kecepatan dari pelebur jenis ini maka sebaiknya terdapat koordinasi antara pelebur sisi primer dan pelebur sejenis pada sisi sekunder.

Pelebur sisi primer bertugas untuk menjaga ketahanan trafo terhadap hubung singkat pada trafo, tetapi tidak meleleh karena arus inrush trafo sedangkan pelebur sisi sekunder betugas mengamankan trafo dari arus lebih karena gangguan pada sisi JTR tetapi tidak meleleh karena adanya arus peralihan.

Tabel 3.6 merupakan Rekomendasi pemilihan arus pengenal pelebur 24 kV jenis letupan (publikaasi IEC 282-2(1970)/NEMA disisi primer berikut pelebur jenis

pembatas arus, publikasi IEC 269-2(1973) di sisi sekunder(230/400 V) disisi

sekunder yang merupakan pasangan yang diserasikan sebagai pengaman trafo

(74)

Trafo distribusi

Pelebur primer 24 KV Arus pengenal

(A)

Pelebur sekunder (230/400V) Daya

pengenal (KVA)

Arus pengenal

(KVA)

Tipe T Tipe K Arus pengenal(A)

min maks min maks min maks

Fasa tunggal, 3 20

kV

16 1,3856 - - 6,3 6,3 80 100

25 2,1651 6,3 6,3 6,3 6,3 125 125

30 4,3301 10 10 10 16 250 250

Fasa tiga, 20 kV

50 1,4434 - - 6,3 6,3 80 100

100 2,8867 6,3 8 6,3 10 160 200

160 4,6188 10 12,5 10 12,5 250 250

200 5,7735 10 12,5 16 20 315 315

250 7,2169 16 16 16 25 400 400

315 9.0933 20 25 20 31,5 500 500

[image:74.595.123.513.110.581.2]

400 11,5470 25 25 25 40 630 630**) 500 14,4337 25 31,5 31,5 40 800 800 630 18,1865 40 40 40 63 1000 1000 800 23,0940 50 63 50 80 1250*) 1250*) 1000 28,8675 63 63 63 100 1600*) 1600*)

Tabel 3.6. Rekomendasi Pemilihan Arus Pengenal Pelebur 24 kV Jenis Letupan di sisi Primer dan Sekunder

Catatan :

Pemilihan nilai maksimum pelebur sekunder perlu dikombinasikan dengan nilai

nilai maksimunm pelebur primer

(75)

[image:75.595.122.502.120.560.2]

Gambar 3.17. Contoh Koordinasi antar Pelebur Primer dan Sekunder untuk mengamankan Trafo 400 kVA Pasangan Luar

Keterangan :

a. Kurva ketahanan pelebur

b. Kurva leleh minimum pelebur jenis “pembatas arus” (630 A) di sekunder yang

dinyatakan dalam harga primer.

c. Kurva ketahan trafo 400 kVA