100
KAJIAN
LIFETIME
TRAFO DISTRIBUSI ISOLASI MINYAK TERHADAP
PENGARUH PEMBEBANAN
Sulistyowati1, Slamet Nurhadi2, Epiwardi31,2,3 Jurusan Teknik Elektro, Program Studi Teknik Listrik, Politeknik Negeri Malang 1 sulispoltek@gmail.com, 2 slamet.nurhadi@polinema.ac.id,3epiwardi@polinema.ac.id
Abstrak
Penelitian ini bertujuan mengkaji perubahan umur trafo disebabkan oleh variasi pembebanan berdasarkan IEEE Power-Immersed Power Transformer C57.91-1995. Umur transformator dapat berkurang akibat beberapa hal. Salah satu penyebab berkurangnya umur penggunaan transformator adalah pembebanan yang mengakibatkan peningkatan temperatur pada transformator. Panas yang timbul mengakibatkan terjadinya penguraian dari bahan-bahan transformator yang dapat mempercepat proses penuaan suatu transformator. Rugi besi dan tembaga juga meningkat. Terjadinya panas yang terlalu tinggi akan dapat merubah sifat konstruksi bagian-bagian transformator. Setiap kenaikan sekitar 6°C dari batas yang diizinkan akan mengakibatkan berkurangnya umur. Penelitian ini menggunakan metode perhitungan berdasarkan rumus minyak bagian atas, titik hotspot, dan suhu lingkungan transformator sehingga dapat ditemukan laju penuaan dan harapan hidup transformator. Pada trafo merk HICO dengan kapasitas 250 kVA , tahun operasi 2009, dibebani saat LWBP 77,6 % dan WBP 88% , mempunyai susut umur 24 jam sebesar 1,884 jam atau 7,85%. Perkiraan penurunan umur trafo 1,146 tahun atau 5,73% dari kondisi normal. Sedangkan harapan hidup 13,49 tahun pada kondisi LWBP.
Kata kunci : umur trafo, suhu, pembebanan, ONAN
I. PENDAHULUAN (STYLE:HEADING 1)
Produsen transformer menjamin daya tahan produk mereka selama dioperasikan di bawah suhu standar berdasarkan spesifikasi IEEE atau IEC. Permasalahan yang timbul bagaimana apabila pembebanan mengalami overload, apa yang akan terjadi pada trafo ?
Data uji laboratorium PT. PLN (Persero) merilis data bahwa trafo distribusi dapat bekerja 100% (normal sampai 20 tahun sesuai standar IEC 60076-7:2005), apabila beban kontinu dengan suhu lingkungan 20oC dan suhu belitan 98oC , tetapi apabila suhu lingkungan lebih dari 20oC maka umur trafo akan mengalami penurunan.
Transformator produksi lokal atau import didesain berdasarkan standar IEC yaitu akan beroperasi normal pada suhu rata-rata 20oC dan suhu harian 30oC. Sehingga apabila suhu lingkungan dan pembebanan tidak kontinu , agar trafo distribusi bekerja normal maka pembebanan harus di sesuaikan yaitu diturunkan. Indonesia dengan suhu lingkungan rata-rata 30oC bahkan lebih, maka penyesuaian pembebanan trafo perlu diperhatikan.
II. TINJAUANPUSTAKA
A. Transformator 3 Phasa
Transformator adalah perangkat pengubah tegangan yang terdiri dari belitan primer dan sekunder yang dihubungkan oleh inti magnetik. Intinya lebih besar untuk mengakomodasi gulungan primer dan sekunder tiga fase. Selain itu, isolasi dalam bentuk minyak atau kertas diperlukan untuk mengisolasi perbedaan potensial yang terjadi. Meskipun trafo adalah perangkat yang sangat efisien, dapat mengubah dari daya inputnya 95-99%, namun sebagian energinya hilang selama transformasi tegangan. Kerugian pada kondisi berbeban, yaitu kehilangan daya karena hambatan listrik belitan dan eddy current. Besarnya kerugian meningkat sebanding dengan besarnya kuadrat arus.
B. Efek Transfer Panas
Trafo kondisi berbeban tidak hanya mengalami proses listrik tetapi juga melalui proses termal yang digerakkan oleh panas. Energi panas yang dihasilkan oleh belitan ditransfer ke insulasi belitan dan akibatnya ke dinding minyak dan transformator. Proses ini akan berlanjut sampai keadaan keseimbangan tercapai ketika panas dihasilkan oleh belitan sama dengan panas yang diambil oleh beberapa bentuk pendingin atau sistem pendingin.
101 Mekanisme perpindahan panas ini tidak boleh membiarkan inti, belitan, atau bagian struktural apa pun mencapai suhu kritis yang mungkin terjadi yang menurunkan kekuatan isolasi belitan. Sifat isolasi dialektrik akan melemah jika suhu di atas batas yang diijinkan. Isolasi akan menua lebih cepat, mengurangi umur kondisi normalnya.
Gambar 1. Tipe Pendinginan pada Transformator (a) ONAN (b) OFAF (c) ODAF
• Menentukan Ratio Pembebanan (K)
K = (Pr / Pp) % (2.1)
Keterangan: Pr = beban puncak (kVA) Pp = beban rata-rata (kVA) • Menentukan FAA
(2.2)
Keterangan : FAA = faktor laju penuaan isolasi ϴh = suhu belitan
• Susut umur 24 jam = (lama LWBP x susut umur LWBP)
+ (lama WBP x susut umur WBP) (2.3)
• Penurunan umur trafo tahun ke n
= [ % ,#(#- #"#$ ./ 0'" !"#$ &'('$)* ] (2.4) Keterangan : n = lama waktu trafo telah beroperasi • Penentuan Kenaikan Temperatur
Kenaikan temperatur dapat diasumsikan dengan diagram thermal sederhana, seperti ditunjukkan gambar II. Gambar ini dapat dipahami karena merupakan diagram penyederhanaan dari distribusi yang lebih rumit.
Kenaikkan temperatur minyak atas yang diukur selama pengujian kenaikkan temperatur, berbeda dengan minyak yang meninggalkan kumparan, minyak pada minyak atas adalah campuran sebagian dari minyak yang bersirkulasi pada sepanjang kumparan.
Gambar 2. Diagram Thermal
C. Sirkulasi Minyak Alami
Rata-rata kenaikan temperature kumparan (diukur dengan tahanan) = 65O C
Kenaikan temperature minyak atas = 55oC Rata-rata kenaikan temperature minyak = 44oC
Perbedaan antara rata-rata kenaikan temperature kumparan dan rata-rata kenaikan temperature minyak (D
q
wor) = 210 C Kenaikan temperatur hot-spot Dqcr = Kenaikan temperaturminyak atas + 1.1 Dqcr
TABEL 2.1BATAS KENAIKAN SUHU MINYAK (K)
Bagian Batas Kenaikan Suhu K
Minyak bagian atas (kenaikan suhu di ukur dengan
termometer)
60 Kelas suhu isolasi A (kenaikan
suhu belitan dengan metode resistansi)
65
Hot spot belitan 78
Sesuai IEC 60076-1 : 2011
cr b 1.1( wo ) (2.5)
= 55 + 23 = 780 C
D. Sirkulasi Minyak Paksaaan
Kenaikan temperatur hotspot ( cr ) disusun sebagai berikut
cr b ( cr b )
(2.6) = 40 + 38 = 780 C
E. Kenaikan Temperatur Minyak Atas (Beban Stabil)
Kenaikan temperatur ini sepadan dengan kenaikan temperatur minyak atas pada nilai daya yang dikalikan ratio dari total kerugian dengan eksponen x:
∆𝜃4$= ∆𝜃4678&9 :
78& ; (2.7)
Keterangan : d = ratio rugi x = konstanta
x = 0,9 (ONAN dan ONAF)* x = 1 (OFAF dan OFWF) ∆𝜃4$= suhu
Untuk ∆𝜃4$=550C untuk ON, dan ∆𝜃4$= 400C untuk OFF
*spesifikasi terdapat dalam sub bab 41.7.1 publikasi IEC 76 (1967), karena mengikuti tabel yang diatur untuk digunakan pada kedua jenis pendinginan dengan kesalahan tidak lebih dari ±2%. Nilai d secara relatif tidak penting pada beban tinggi, hanya memberikan secara garis besar tinggi atau rendahnya kenaikkan temperatur dalam prakteknya. Lebih dari itu ini dikompensasi untuk seberapa besar korespondensinya dengan
102 naik atau turunnya temperatur minyak pada beban rendah.
Gambar 3. Pembebanan yang diijinkan pada temperature sekitar
Temperatur belitan (ϑ ) o C = Pembebanan (%) x (temperatur belitan kondisi beban
100 %) (2.8)
Temperatur belitan pada beban 100%
=<= > ? ((#A# A>-(B>-) 9 (2.9) III. METODOLOGI
A. Tahapan Pengukuran Data
Tahapan penelitian digambarkan seperti diagram alir berikut:
Gambar 4. Diagram Alir Penelitian
B. Tahapan Penelitian
Pengukuran menggunakan PM 5110 yang terhubung dengan mini PC. Pengukuran dimulai dari clamp CT yang dipasang pada kabel atau busbar utama panel lalu masuk menuju PM5110 yang kemudian data akan diproses oleh arduino dan dihubungkan langsung menuju Mini-PC yang ada di kopel Web Based Power Quality Meter. Dengan aplikasi yang sudah tersedia di Mini-PC pengukuran bias dimulai, kemudian akan terekam otomatis pada Mini-PC.
Rangkaian pengukuran data digambarkan seperti rangkaian berikut:
B. Variabel yang Diteliti
Gambar 5. Skema Penelitian
Dalam penelitian ini ingin menunjukkan hubungan pembebanan dengan umur kerja trafo. Adapun jenis variabel yang diteliti adalah prosentase pembebanan (%), temperature belitan o C (ϑ) , susut umur ( ζ ) pu, prediksi umur ( tahun).
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Hasil Pengukuran
Berikut adalah name plate trafo dengan isolasi minyak :
TABEL 4.1NAME PLATE TRAFO Trafo E0038
Merk HICO
Jenis pendingin ONAN
Tahun 2009
Kapasitas 250 kVA
Phase 3 Phasa
Tegangan Primer /
Sekunder 20.000 V / 400 V
Arus Primer / Sekunder 7,21 A / 360 A
Hubungan YZN5
Data Pengukuran
Pengukuran dan Pengambilan Data Mulai
Studi literasi, Observasi data, Wawancara
Menentukan Prosentase Pembebanan, Data dari pengukuran WBP dan LWBP
Menghitung Susut Umur Transformator
Susut umur dari pembebanan Perkiraan sisa umur
Analisa, Kesimpulan dan Saran
Selesai Membandingkan
dengan IEC
Tidak
103
Luas Penampang
Incoming 150 mm2
Luas Penampang
Outgoing 70 mm2
Luas Penampang Netral 50 mm2
Impedansi 3.83 %
Pentanahan Titik Netral 6 Ω
Rugi Tembaga 3250 Watt
Exciting Current 2,1 % ( 7,56 A)
Sumber : GI Singosari
B. Hasil Pengukuran
TABEL 4.2HASIL PENGUKURAN BEBAN Trafo operasi Tahun Rating (kVA)
Beban
Siang Malam
kVA % kVA %
HICO 2009 250 194 77,6 220 88
C. Pembahasan
Faktor pembebanan persamaan (2.1) : K = DD,F %== % = 0,88
Berdasarkan tabel 2.2 untuk memperoleh kecepatan relatif pada tiap titik panas di atas suhu normal (980C) pada beban nominal serta suhu lingkungan acuan serta peningkatan suhu kumparan. 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 68°C.
Dengan berpedoman pada standar IEC 354 dan SPLN 17 A : 1979 yaitu bahwa dengan temperature sekitar 20 oC, sebuah transformator akan mengalami umur yang normal apabila temperature hot spot 98oC pada saat pembebanan 100 % dari rating pengenal.
Letak trafo yang diteliti berada di Jawa Timur dengan suhu lingkungan rata-rata adalah 30 o C. Berdasarkan tabel 2.2 pada temperature 30oC, nilai K24 untuk trafo distribusi jenis pendingin ONAN pada pembebanan 100% mempunyai factor 0,91. Sesuai persamaan (2.9),
suhu belitan pada beban 100 % = = G,<7<= = 107,7 o C
sehingga pada suhu ambient 30oC temperature belitan menjadi 107,7 o C.
Pada pembebanan 24 jam dari tabel 4.2 dapat dihitung susut umur sebagai berikut ( persamaan 2.6) :
Kondisi LWBP :
Temperatur belitan = Pembebanan (%) x (temperatur belitan kondisi beban 100 %)
= 77,6 % x 107,7oC = 83,57 oC
Dengan cara yang sama kondisi WBP di peroleh : Temperatur belitan = 88 % x 107,7 oC
= 94,7 oC
Sehingga diperoleh nilai rata-rata suhu belitan = (83,57oC + 94,7oC) / 2 = 89,17oC
Selanjutnya menghitung laju penuaan trafo. Berdasarkan persamaan (2.2) ; Kondisi LWBP : = e [ 7H.GGGJ=J − =J,HD8.DJ7H.GGG ] = e [39,16 - 42,06] = 0,055 Kondisi WBP : FAA = e [ 7H.GGG J=J − 7H.GGG </,D8.DJ] = e [ 39,16 – 40,79] = 0,196
Berikutnya menghitung harapan hidup transformator : Harapan hidup = [ FH.GGGLMM ] Kondisi LWBP : Harapan hidup = [ FH.GGGG,GHH] = 118.181,8 𝑗𝑎𝑚 = 13,49 tahun Kondisi WBP : Harapan hidup = [ FH.GGG G,7<F] = 331.632,6 𝑗𝑎𝑚 = 37,8 tahun
Berikutnya adalah perkiraan susut umur trafo selama 24 jam persamaan ( 2.3 ) :
Susut umur 24 jam = [20 x 0,055] + [4 x 0,196] = 1,884 jam.
Susut umur harian =7,==/./ 𝑥 100% = 7,85 %
Perkiraan penurunan umur trafo dari periode operasi persamaan (2.4) di peroleh : .G)(.G.G).GG<)D,=H = 1,146 tahun.
V. KESIMPULAN
1. Pembebanan yang tinggi dan suhu lingkungan di atas standar normal (20oC) IEC 354 dan SPLN 17 A : 1979 dapat memperburuk isolasi dari trafo, sehingga menurunkan umur dan kapasitas trafo.
2. Pada trafo merk HICO dengan kapasitas 250 kVA , tahun operasi 2009, dibebani saat LWBP 77,6 % dan WBP 88% , mempunyai susut umur 24 jam sebesar 1,884 jam atau 7,85%. Perkiraan penurunan umur trafo 1,146 tahun atau
104 5,73%. Sedangkan harapan hidup 13,49 tahun pada kondisi LWBP.
3. Pengaturan pembebanan dapat menurunkan laju penuaan umur trafo.
REFERENSI
[1] Adhie Satrya Gianto, Chairul Gagarin Irianto & Darto Gianto, “Perhitungan Umur Transformator Karena Pengaruh Suhu Lingkungan”, JETri, Volume 13, Nomor 1, Agustus 2015, Halaman 15 - 36, ISSN 1412-0372.
[2] IEEE Power-Immersed Power Transformer C57.91-1995.
[3] IEC ( 60076-7:2005)
[4] Juhaeriyah, Satyo Nuryadi , “Analisis Pengaruh Pembebanan Dan Suhu Lingkungan Terhadap Susut Umur Transformator Distribusi Di Daerah Istimewa Yogyakarta Dengan Menggunakan Metode Monstinger “, belum dipublikasikan.
[5] Parlindungan Gultom1), Ir. Danial, MT.2), Managam Rajagukguk, ST, MT,” Studi Susut Umur Transformator Distribusi 20 kV Akibat Pembebanan Lebih di PT.PLN (Persero) Kota Pontianak”, belum dipublikasikan.
[6] SPLN 17 A: 1979
[7} Sumardi Sadi,. Saiful Haq ,”Pengijian Temperature Rise Transformator 3 Phasa 1000 kVA 20kV/400 V”, Researchgate.net/publication/323186174, September 2015.
