40
BAB III
FORMULASI PENENTUAN SUSUT UMUR
TRANSFORMATOR DISTRIBUSI
3.1 Pendahuluan
Pada bab ini akan diformulasikan hubungan antara kenaikan suhu yang melebihi batas - batas kemampuan isolasi dengan susutnya umur isolasi sebagai akibat beban lebih pada transformator distribusi.
Kenaikan suhu yang berlebihan oleh pembebanan lebih menyebabkan timbulnya panas pada transformator sehingga berpengaruh terhadap isolasi kumparan transformator atau terhadap minyaknya (oil - immersed transformer). Maka diperlukan suatu cara untuk memperkirakan
berkurangnya umur isolasi kumparan transformator terhadap pembebanan lebih.
Dalam perhitungan, formulasi yang digunakan didasarkan pada standar SPLN 17A:1979 yang mengacu pada standar International Electrotechnical Commission 354 tahun 1979. Selanjutnya akan diuraikan formulasi hubungan antara suhu dan susut umur pada transformator distribusi.
3.2 Sebab-Sebab Kenaikan Suhu Pada Transformator Distribusi
Didalam transformator ada dua bagian yang secara aktif “membangkitkan” panas, yaitu inti besi dan tembaga. Panas tersebut, bila tidak disalurkan atau diadakan pendinginan, dapat menyebabkan inti besi ataupun tembaga mencapai suatu suhu yang terlampau tinggi, sehingga bahan - bahan isolasi akan menjadi rusak. Untuk menghindari hal tersebut, pada umumnya dilakukan dengan memasukkan inti besi maupun tembaga kedalam minyak, suatu macam minyak tertentu yang dinamakan minyak transformator.
3.3 Susut Umur Transformator Distribusi
Penurunan kemampuan suatu bahan isolasi akibat panas disebut penuaan (aging). Hal ini merupakan faktor utama yang membatasi kemampuan pembebanan/kemampuan mempertahankan umur perkiraan dari transformator distribusi. Dengan kata lain, akibat adanya pembebanan lebih akan menimbulkan panas pada lilitan kumparan transformator sehingga pada suatu saat akan menurunkan umur transformator (penyusutan umur) dari yang diharapkan.
Pemburukan isolasi akan semakin cepat apabila isolasi tersebut bekerja dengan suhu yang melebihi dari batas yang diizinkan (dalam hal ini adalah suhu hot spot). Menurut standar IEC 354 yang juga telah menjadi standar PLN saat ini (SPLN 17 A: 1979), sebuah transformator akan mengalami umur yang normal pada kondisi “suhu hot spot 98°C pada pembebanan yang terus - menerus”. Apabila transformator tersebut
mengalami suhu hot spot yang lebih besar dari 98°C, susut umurnya akan semakin cepat (besar) sehingga dapat memperpendek umur dari yang diharapkan.
3.4 Dasar Penentuan Kenaikan Suhu
Kenaikan suhu dapat diasumsikan dengan diagram thermal sederhana seperti ditunjukkan (Gambar 3.1). Gambar ini dapat dipahami karena merupakan diagram penyederhanaan dari distribusi yang lebih rumit.
Kenaikan suhu minyak bagian atas yang diukur selama pengujian kenaikan suhu berbeda dengan minyak yang meninggalkan kumparan. Minyak pada bagian atas adalah campuran sebagian dari minyak yang bersirkulasi disepanjang kumparan. Namun perbedaan ini tidak dipertimbangkan dengan cukup signifikan untuk memvalidasi metode.
Metode ini disederhanakan sebagai asumsi yang telah dibuat sebagai berikut :
a. Suhu minyak didalam kumparan bertambah secara linear dari bawah keatas.
b. Kenaikan suhu rata - rata dari tembaga pada setiap posisi diatas kumparan meningkat secara linear sejalan kenaikan suhu minyak yang mempunyai selisih konstan wo antara dua garis lurus ( wo adalah
selisih antara kenaikan suhu rata - rata tahanan dan kenaikan suhu rata - rata minyak).
c. Kenaikan suhu hot spot adalah lebih tinggi dibanding kenaikan suhu rata - rata puncak kumparan.
Kumparan sisi atas Hot spot
Puncak minyak wo
Suhu kumparan rata-rata
Tengah minyak wo (65°C pada daya pengenal)
Dasar minyak
Kumparan sisi bawah Kenaikan suhu
Gambar 3.1 Diagram Thermal
3.5 Batasan Arus dan Suhu
Untuk pembebanan diatas papan nama pengenal, direkomendasikan bahwa pembebanan tidak boleh melebihi batasan arus dan suhu yang diizinkan untuk pembebanan transformator distribusi sesuai dengan standar IEC 354-1991.
Tabel 3.1 Batasan arus dan suhu untuk pembebanan transformator distribusi berdasarkan standar IEC 354-1991
Jenis pembebanan Transformator Distribusi
Siklus pembebanan normal
Arus (p.u) 1,5
Suhu titik-panas belitan dan bagian logam pada
kontak dengan bahan insulasi selulosa (°C) 140
Suhu minyak bagian atas (°C) 105
Siklus pembebanan darurat waktu-panjang
Arus (p.u) 1,8
Suhu titik-panas belitan dan bagian logam pada
kontak dengan bahan insulasi selulosa (°C) 150
Suhu minyak bagian atas (°C) 115
Pembebanan darurat waktu-singkat
Arus (p.u) 2,0
Suhu titik-panas belitan dan bagian logam pada
kontak dengan bahan insulasi selulosa (°C) Lebih dari 160 Suhu minyak bagian atas (°C) Lebih dari 115
3.6 Formulasi Kenaikan Suhu [1]
Suhu titik panas pada transformator adalah suhu terpanas dari transformator yang terletak pada belitannya. Nilai suhu titik panas transformator tergantung pada kondisi suhu sekitar. Kenaikan suhu titik panas pada diagram thermal (Gambar 3.1) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :
hr
=
or+ Hg
r.K
y
Keterangan :
hr = kenaikan suhu titik panas transformator (°C)
or = kenaikan suhu minyak bagian teratas pada rating beban (°C)
or = 55°C untuk ON (minyak natural)
R = perbandingan rugi-rugi beban pada arus pengenal terhadap
rugi-rugi tanpa beban, nilainya 5 untuk transformator ONAN (lihat
pada tabel 3.2)
K = perbandingan pembebanan terhadap rating
Hgr = suhu gradient minyak bagian atas sampai titik panas, sebesar 23
(lihat pada tabel 3.2)
y = eksponen belitan, besarnya menurut standar IEC pub. 354-1972
adalah 1,6 untuk transformator distribusi dengan pendingin ONAN
(minyak natural dan pendinginan natural).
x = eksponensial dari perbandingan rugi-rugi yang berlaku pada
perhitungan kenaikan suhu, besarnya menurut standar IEC pub.
354-1972 adalah 0,8 untuk transformator distribusi dengan
pendingin ONAN (minyak natural dan pendinginan natural).
Sedangkan untuk menghitung besarnya nilai suhu titik panas
(
h)
menggunakan persamaan :h
=
a+
or+ Hg
r.K
y
(3.2)
Keterangan :
a = suhu sekitar, 30°C rata-rata harian (SPLN 17:1979)
Dengan memasukkan persamaan (3.1) kedalam persamaan (3.2) didapat suatu persamaan :
h
=
a+
hr (3.3)Sedangkan untuk menghitung perbandingan pembebanan terhadap rating menggunakan persamaan :
k =
(3.4)Keterangan :
k = perbandingan pembebanan terhadap rating (oK)
S = daya beban (KVA)
Sr = daya dengan nilai tertentu (KVA)
Sebagai pedoman untuk perhitungan pembebanan, diberikan karakteristik thermal dari transformator distribusi jenis pendingin ONAN pada (Tabel 3.2).
Tabel 3.2 Karakteristik thermal transformator distribusi ONAN berdasarkan standar IEC 354-1991
Komponen Karakteristik Thermal
Transformator Distribusi ONAN Eksponen minyak x 0,8 Eksponen belitan y 1,6 Eksponen rugi R 5
Faktor titik panas H 1,1
Suhu sekitar a (°C) 30
Kenaikan suhu titik panas hr (°C) 78
Kenaikan suhu belitan rata-rata wr (K) 65
Gradient minyak bagian atas sampai titik panas Hgr (K) 23
Kenaikan suhu minyak rata-rata imr (K) 44
Kenaikan suhu belitan minyak bagian atas* ir (K) 55
Kenaikan suhu belitan minyak bagian bawah br (K) 33
*Untuk pendingin ON, nilai ir sama dengan nilai or
3.7 Penuaan Isolasi Belitan Transformator 3.7.1 Nilai Relatif dari Umur Pemakaian
Untuk desain transformator berdasarkan standar IEC 76 dan IEC 354, nilai relatif dari umur pemakaian tergantung pada suhu titik panas. Hubungan suhu ini terhadap operasi dalam suhu sekitar 30°C pada nilai daya nominal transformator memberikan kenaikan suhu titik panas sebesar 78°C. Nilai relatif dari umur pemakaian didefinisikansebagai :
V =
V =
(3.5)Keterangan :
V = laju penuaan relatif (jam)
3.7.2 Menghitung Pengurangan Umur
Dalam menghitung pengurangan umur, diberikan persamaan untuk dapat menentukan besarnya susut umur adalah sebagai berikut :
Susut umurnya = ( t x susut umur 1 ) + ( t x susut umur 2 )
+ ( t x susut umur n ) + ……….. (3.6)
Keterangan :
t = lamanya transformator mengalami beban lebih (jam)
3.8 Spesifikasi Transformator Distribusi yang Diteliti
Spesifikasi untuk masing - masing transformator yang diteliti pada gardu yang berada di PLN Area Ciputat terdapat pada (Tabel 3.3) sebagai berikut.
Tabel 3.3 Data Spesifikasi Transformator Distribusi Gardu CP 165 dan TD 190
Data Transformator Distribusi
Spesifikasi CP 165 TD 190
Merk HICO HICO
Buatan Amerika Serikat Amerika Serikat
Standard IEC 76 IEC 76
Tahun Operasi 1999 2002
Daya Nominal 630 KVA 630 KVA
Tegangan Primer 20 KV 20 KV
Tegangan Sekunder 380 V 380 V
Frekuensi 50 Hz 50 Hz
Pendingin ONAN ONAN
Kelas Isolasi A A
3.9 Data Transformator di Lapangan
3.9.1 Data Pembebanan Transformator Distribusi CP 165
Pada gardu CP 165 dengan daya pengenal 630 KVA memikul beban perumahan/rumah tangga. Data hasil pengukuran beban pemakaian harian dalam waktu 24 jam selama satu minggu pada tanggal 08 Desember 2014 hingga 14 Desember 2014 dari pukul 00:00 s/d 24:00 pada (Tabel 3.4) sebagai berikut.
Tabel 3.4 Beban pemakaian harian transformator distribusi CP 165 selama satu minggu (08 s/d 14 Desember 2014)
Data Pembebanan Transformator 630 KVA Gardu CP 165
No. Waktu
Pengukuran
Tanggal Pengukuran Tahun 2014
8 Des 9 Des 10 Des 11 Des 12 Des 13 Des 14 Des
1 0:00 221.22 220.55 220.11 220.96 221.63 220.22 220.18 2 1:00 220.34 220.11 221.04 222.11 224.35 220.60 220.21 3 2:00 222.49 223.21 222.59 222.84 225.18 221.60 222.52 4 3:00 222.24 222.77 222.93 224.68 225.37 223.07 223.49 5 4:00 224.18 225.47 224.53 228.35 226.10 224.37 223.73 6 5:00 227.61 229.49 228.12 231.18 227.39 228.04 226.98 7 6:00 227.76 230.50 230.27 232.76 230.91 230.30 228.75 8 7:00 353.07 346.18 347.41 340.06 344.65 357.34 354.72 9 8:00 350.12 342.81 350.77 349.82 347.60 350.97 351.78 10 9:00 350.94 344.27 348.30 349.72 347.81 350.64 350.33 11 10:00 343.14 344.76 348.30 349.50 348.80 350.29 348.66 12 11:00 339.53 350.04 349.38 348.62 347.61 350.28 348.98 13 12:00 342.54 352.26 349.65 348.40 347.80 351.92 348.91 14 13:00 350.63 352.55 354.86 353.38 350.53 353.15 350.84
15 14:00 477.55 480.40 486.54 478.59 468.96 490.56 484.31 16 15:00 479.87 480.63 486.48 482.49 472.03 494.76 488.09 17 16:00 489.34 488.49 492.52 483.37 478.69 502.52 495.04 18 17:00 526.51 524.86 529.75 502.50 510.18 536.68 530.50 19 18:00 602.57 599.84 601.63 578.08 586.66 602.56 598.64 20 19:00 626.40 624.11 619.24 639.14 612.89 622.68 617.28 21 20:00 644.42 640.99 638.14 630.84 635.06 645.03 638.48 22 21:00 648.28 652.89 651.12 630.62 645.58 651.38 649.25 23 22:00 518.27 524.33 518.56 507.02 517.96 516.62 516.46 24 23:00 503.67 504.24 501.14 495.94 514.34 497.29 500.89 25 0:00 286.67 286.69 285.29 331.95 293.97 275.30 282.81
Dari Tabel 3.4 diatas menunjukan bahwa :
- Beban minimum transformator 630 KVA pada gardu distribusi CP 165 terjadi pada tanggal 09 Desember 2014 pada pukul 01:00 sebesar 220,11 KVA.
- Beban maksimum transformator 630 KVA pada gardu distribusi CP 165 terjadi pada tanggal 09 Desember 2014 pada pukul 21:00 sebesar 652,89 KVA.
3.9.2 Data Pembebanan Transformator Distribusi TD 190
Pada gardu TD 190 dengan daya pengenal 630 KVA memikul beban perumahan/rumah tangga. Data hasil pengukuran beban pemakaian harian dalam waktu 24 jam selama satu minggu pada tanggal 12 Desember 2014 hingga 18 Desember 2014 dari pukul 00:00 s/d 24:00 pada (Tabel 3.5) sebagai berikut.
Tabel 3.5 Beban pemakaian harian transformator distribusi TD 190 selama satu minggu (12 s/d 18 Desember 2014)
Data Pembebanan Transformator 630 KVA Gardu TD 190
No. Waktu
Pengukuran
Tanggal Pengukuran Beban Tahun 2014
12 Des 13 Des 14 Des 15 Des 16 Des 17 Des 18 Des
1 0:00 216.36 215.66 208.23 215.64 214.68 216.19 215.92 2 1:00 212.29 215.30 212.65 216.42 218.11 214.33 211.12 3 2:00 213.43 218.15 213.51 219.42 214.16 214.10 211.05 4 3:00 212.03 218.88 213.76 220.60 217.25 213.13 211.36 5 4:00 213.68 219.47 215.50 223.75 219.12 214.35 214.35 6 5:00 214.41 219.89 216.21 225.63 219.38 216.48 215.75 7 6:00 210.23 236.21 220.96 227.05 219.39 211.73 211.06 8 7:00 350.58 345.49 354.29 353.30 353.71 353.91 352.75 9 8:00 348.78 348.16 350.13 349.52 350.22 349.92 351.44 10 9:00 349.43 349.33 350.29 349.79 349.73 350.09 348.82 11 10:00 349.42 350.21 348.76 347.80 346.91 350.82 349.83 12 11:00 351.34 352.26 347.53 346.73 345.06 352.30 350.08 13 12:00 354.43 353.26 349.41 349.11 351.07 354.38 350.63 14 13:00 352.79 353.67 352.05 348.48 353.50 355.71 352.49 15 14:00 485.17 463.26 482.53 476.86 478.52 487.97 487.39 16 15:00 485.53 472.75 482.18 472.75 477.68 488.46 488.10 17 16:00 491.80 474.72 488.76 479.85 484.22 497.38 494.70 18 17:00 528.55 519.13 525.00 515.97 522.14 533.59 529.67 19 18:00 601.10 597.42 601.25 592.82 599.04 595.83 592.68 20 19:00 623.03 618.24 618.77 615.24 619.66 611.64 608.64 21 20:00 641.40 635.66 635.76 635.47 638.67 628.16 624.35 22 21:00 647.70 647.85 646.65 640.66 649.71 639.11 634.32 23 22:00 518.57 517.60 516.11 509.80 516.66 511.72 508.11 24 23:00 473.88 481.11 471.91 492.31 470.37 491.47 501.32 25 0:00 270.66 281.83 268.16 276.42 267.46 267.15 286.17
Dari tabel 3.5 diatas menunjukan bahwa :
Beban minimum transformator 630 KVA pada gardu distribusi TD 190 terjadi pada tanggal 18 Desember 2014 pada pukul 02:00 sebesar 211,05 KVA.
Beban maksimum transformator 630 KVA pada gardu distribusi TD 190 terjadi pada tanggal 16 Desember 2014 pada pukul 21:00 sebesar 649,71 KVA.
Dari (Tabel 3.4) hasil pengukuran beban pemakaian gardu CP 165 dalam waktu 24 jam selama satu minggu, dapat diambil contoh untuk kurva kondisi pembebanan harian pada tanggal 8 Desemeber 2014, untuk dapat melihat grafik perubahan saat adanya pembebanan yang dapat dilihat pada kurva (Gambar 3.2) berikut.
Gambar 3.2 Kurva beban pemakaian harian pada gardu CP 165 (8 Desember 2014)
Keterangan :
Warna biru : kondisi pada saat transformator dibebani dibawah kapasitas
Warna kuning : kondisi pada saat kenaikan beban transformator
Warna merah : kondisi pada saat transformator mengalami beban lebih
Dari hasil data pembebanan harian tanggal 8 Desember 2014 selama 24 jam, dapat terlihat bahwa pemakaian beban puncak terjadi pada pukul 19:00 s/d 21:00 yang diberi warna merah, sedangkan perubahan atas kenaikan dan penurunan beban pemakaian diberi warna kuning yang terjadi pukul 17:00 s/d 18.00 serta 22.00 s/d 23:00 dan selebihnya yang diberi warna biru merupakan beban dibawah kapasitas. Dari data pembebanan harian tersebut akan dilakukan perhitungan susut umur transformator distribusi yang dibahas pada bab selanjutnya.
