Prediksi Masa Guna Minyak Transformator Menggunakan Hukum
Arrhenius Berdasarkan Karakteristik Fisik dan Elektrik
Prof. Dr. Ir. Iwa Garniwa M.K., MT dan Mukhammad Latif
Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Kampus Baru UI Depok 16424, Indonesia Telp.: (021) 78888805. Fax: (021) 78885656
Email: [email protected],[email protected]
Abstrak
Pada sistem pembangkitan, transmisi maupun distribusi sistem tenaga listrik, transformator merupakan salah satu aset yang paling berharga dan penting dalam penyaluran tenaga listrik. Kelangsungan operasi dari transformator sangat bergantung pada kualitas sistem isolasinya. Selama masa operasi transformator, minyak transformator akan mengalami degradasi atau pemburukan karena faktor temperatur yang tinggi serta reaksi kimia yang terjadi seperti oksidasi. Penuaan pada minyak isolasi tentunya juga akan mempengaruhi karakteristiknya, seperti sifat fisik dan sifat elektrik, serta menurunkan masa guna isolasinya. Skripsi ini membahas tentang penuaan minyak isolasi. Penelitian percepatan penuaan termal dilakukan untuk mengetahui perilaku pemburukan minyak isolasi Nynas Nytro 10X dan memprediksi masa gunanya. Berdasarkan hukum Arrhenius yang diterapkan, jika temperatur sampel minyak 600C pada transformator yang beroperasi secara normal, maka prediksi masa guna minyak isolasinya sebesar 697,079 jam. Selanjutnya, prediksi persentase penurunan masa guna isolasi transformator IBT CBN fasa S pada kondisi pembebanan normal, pembebanan darurat waktu lama, serta pembebanan darurat waktu singkat berturut-turut sebesar 0,002032%, 0,047435%, dan 0,957268% terhadap sisa masa guna normal isolasinya 5,5 tahun.
Lifetime Estimation of Transformer Insulation Oil Using Arrhenius Law Based on Physical and Electrical Properties
Abstract
In the generation, transmission, and distribution of electrical power system, transformers are the most valuable and important assets in electrical power system. The operation continuity of transformers are highly depends on the quality of insulation systems. During transformers service life, degradation and deterioration of the oil occurs because of high temperature and chemical reaction such as oxidation. Aging of transformer oil will reduce physical properties, electrical properties, and its lifetime. This thesis focus on the aging of insulation oil. Thermally accelerated aging experiments are performed to observe deterioration of insulation oil, mainly Nynas Nytro 10X oil, and estimate its lifetime. Based on Arrhenius law, if the temperature of oil is 600C for normal loading condition, so its lifetime will be 697,079 hours. Then, percent loss-of-insulation life of IBT CBN (phase S) transformers based on variation loading condition. Percent loss-of-insulation life at normal, long time emergency, and short time emergency load profile respectively are 0,002032%, 0,047435%, and 0,957268% based on its remaining normal insulation lifetime 5,5 years.
Keywords:transformer insulation oil, aging, physical properties, electrical properties, Arrhenius law, lifetime estimation
Pendahuluan
Transformator berfungsi untuk mentransformasikan tegangan tanpa mengubah frekuensi listrik. Dalam operasinya, transformator tidak lepas dari fenomena kegagalan, baik berupa kegagalan termal, kegagalan mekanik, maupun kegagalan elektrik. Jika kegagalan
tersebut berlangsung terus-menerus maka akan menyebabkan penurunan usia transfornator itu sendiri, bahkan kerusakan yang fatal. Transformator daya yang bekerja hampir selama 24 jam terus-menerus tentunya akan mempunyai suatu batasan usia efektif, dimana hal ini menunjukkan apakah transformator itu masih handal dan layak untuk dioperasikan ke dalam suatu sistem tenaga listrik atau tidak. Kelangsungan operasi dari transformator sangat bergantung pada kualitas sistem isolasinya, salah satunya adalah kualitas minyak isolasi transformator.
Menurut standar IEEE, usia pemakaian transformator daya mencapai 20,55 tahun, sedangkan menurut IEC tidak ditentukan secara spesifik, tetapi biasanya mencapai 30 tahun tergantung pada tingkat penuaan yang ditentukan oleh temperatur hotspot [1]. Salah satu penyebab utama munculnya kegagalan pada transformator adalah adanya panas berlebih yang biasanya terjadi pada sistem isolasi. Panas yang berlebih akan memicu reaksi berantai yang akan mempercepat penurunan usia dan kualitas kerja sistem isolasi, baik pada minyak isolasi maupun isolasi kertas, menurunnya efektifitas kerja sistem pendingin, sehingga nantinya akan membuat transformator mengalami kerusakan.
Tujuan dari penelitian skripsi ini adalah mensimulasikan percepatan penuaan termal pada minyak isolasi transformator melalui eksperimen, menganalisis pengaruh percepatan penuaan termal terhadap karakteristik fisik dan elektrik minyak isolasi, serta memprediksi masa guna minyak isolasi transformator menggunakan hukum Arrhenius.
Mekanisme Penuaan Minyak Transformator dan Penerapan Hukum Arrhenius
Pada umumnya, semua bahan isolasi akan mengalami perubahan derajat penuaan atau pemburukan di bawah kondisi operasi normal. Tingkat penuaan setiap bahan dipengaruhi oleh besarnya tekanan elektrik, termal, dan mekanik yang diterapkan pada bahan. Selain itu, hal ini juga dipengaruhi oleh komposisi dan struktur molekul itu sendiri, seperti sifat kimia, sifat fisik, serta pengaruh lingkungan dimana bahan itu berperan sebagai isolasi [2].
Minyak mineral pada transformator daya memiliki peran utama sebagai bahan isolasi dan media pendingin, sama halnya dengan darah di dalam tubuh manusia. Mengingat kebutuhan akan kehandalan transformator daya dan tingginya harga minyak transformator, maka kita harus mengendalikan dan menjaga agar karakteristik minyak tetap berkualitas secara terus-menerus. Minyak transformator dapat mengalami degradasi atau penurunan kualitas sebagai bahan isolasi karena faktor temperatur yang tinggi serta reaksi kimia yang terjadi seperti oksidasi.
Laju penuaan minyak transformator biasanya merupakan fungsi temperatur dan kelembaban (moisture). Minyak akan cepat mengalami penuaan pada temperatur tinggi dan kelembaban akan bertindak sebagai katalisator dalam penuaan minyak. Mekanisme utama dalam penuaan minyak transformator adalah peristiwa oksidasi yang menghasilkan asam dan senyawa polar lain. Produk oksidasi tersebut akan memiliki pengaruh yang dapat menurunkan kualitas minyak isolasi. Proses penuaan atau pemburukan minyak isolasi dapat diilustrasikan pada Gambar 3.1 di bawah ini, dimana dipengaruhi oleh tekanan elektrik dan termal yang diberikan pada bahan isolasi tersebut [3].
Gambar 1. Mekanisme degradasi (pemburukan) pada minyak [3]
Prinsip penuaan termal diperoleh dari kondisi termal pada minyak isolasi itu sendiri. Kenaikan temperatur dalam durasi yang panjang menyebabkan pengaruh sifat fisik dan kimia di dalam minyak isolasi. Hal ini biasanya berkaitan dengan degradasi dan oksidasi, dimana interaksi antara hidrokarbon di dalam minyak dan oksigen yang terlarut dari udara, akan menimbulkan oksidasi dengan membentuk asam dan endapan.
Berbagai eksperimen telah dilakukan dengan mempercepat proses penuaan bahan isolasi secara termal. Contohnya, pada pengujian percepatan penuaan dan korosi pada isolasi minyak dan isolasi padat (pressboard) oleh Montsinger selama 70 minggu pada suhu 70
C-Tekanan termal dan tekanan elektrik
Minyak isolasi di dalam operasi transformator Minyak berangsur-angsur kehilangan stabilitasnya Minyak terdekomposisi dan teroksidasi Minyak mulai menghasilkan endapan Penyebab utama pemanasan berlebih dan
kerusakan pada isolasi padat
Oksigen tersedia dari udara yang terlarut dan
1100C, oleh Dakin selama 100 minggu pada suhu 1000C-1350C, oleh Shroff selama 16 minggu pada suhu 1100C-1400C, dan oleh Moser selama 57 minggu pada suhu 900C-1350C. Kemudian Moser kembali melakukan penelitian selama 3 minggu pada suhu 1450C-1900C dan penelitian yang terakhir dilakukan oleh Oomen selama 1 minggu pada suhu 1200 C-1800C[4].
Pada tahun 1889, Arrhenius mengusulkan sebuah persamaan empiris yang menggambarkan pengaruh temperatur terhadap konstanta laju reaksi. Persamaan ini telah disesuaikan untuk memperkirakan hubungan antara masa guna isolasi dan temperatur. Persamaan Arrhenius untuk menentukan laju reaksi kimia adalah sebagai berikut [5]:
k Aexp
E/ RT
(1) dimana k = konstanta laju reaksiE = energi aktivasi reaksi, yakni jumlah minimum energi yang diperlukan untuk mengawali reaksi kimia (diasumsikan konstan), [kalori/mol], [J/mol], atau [eV] R = konstanta Boltzman (1,987 kalori/mol/K atau 8,314 J/mol/K)
T = temperatur mutlak [Kelvin = 273 + 0C]
A = faktor frekuensi (diasumsikan konstan), tergantung pada besarnya tumbukan
antar molekul yang bereaksi kemudian menghasilkan kerusakan secara kimia pada isolasi
Ada beberapa faktor yang mempengaruhi besarnya energi aktivasi, antara lain:
1. Temperatur, fraksi molekul-molekul mampu untuk bereaksi dua kali lipat dengan peningkatan suhu sebesar 100C, hal ini menyebabkan laju reaksi berlipat ganda.
2. Faktor frekuensi, dalam persamaan ini kurang lebih konstan untuk perubahan suhu yang kecil.
3. Katalis, akan menyediakan rute agar reaksi berlangsung dengan energi aktivasi yang lebih rendah.
Masa guna dari bahan isolasi (t) yang diuji diasumsikan menjadi berbanding terbalik dengan laju reaksi kimia (k), sehingga persamaan 1 dapat ditulis dalam bentuk logaritma natural menjadi: RT E A k ln ln (2) A T 1 R E k ln ln (3)
Persamaan 3 dapat dinyatakan secara aljabar sebagai berikut:
mb(X)a (4) dimana m = ln (t)
X = 1/T
a = intersep ln A, konstanta karakteristik dari populasi bahan isolasi yang diuji, metode pengujian, dan jenis kegagalan
b = E/R, konstanta karakteristik lainnya dari populasi bahan isolasi yang diuji, metode pengujian, dan jenis kegagalan
Dari penelitian eksperimental yang dilakukan oleh Thomas W. Dakin, dengan memodifikasi persamaan Hukum Arrhenius untuk menghitung tingkat kerusakan bahan isolasi pada transformator [6]. Hukum Arrhenius yang digunakan oleh Thomas W. Dakin diformulasikan sebagai berikut:
Masa guna isolasi (t)
T B Ae (5)
dimana t = waktu/masa guna isolasi [jam]
T = temperatur mutlak dari material isolasi [Kelvin]
A dan B = konstanta eksperimen yang berdasarkan material yang bereaksi, kondisi
reaksi, dan sistem dari unit
Berdasarkan standar IEEE Std C57.91-2011 “IEEE Guide for Loading
Mineral-Oil-Immersed Transformers and Step-Voltage Regulators”, pada transformator distribusi dengan
belitan terendam minyak, ada beberapa parameter termal digunakan untuk membangun model temperatur pada operasi transformator tersebut, salah satunya adalah temperatur hotspot [7].
Gambar 2. Diagram termal pada lilitan transformator [7] Belitan
Atas
Belitan Bawah
Minyak bagian atas
Rata-rata Minyak Minyak bagian bawah Rata-rata belitan Hot-spot (θH) Kenaikan temperatur (0C) g Hg
Pada kasus transformator distribusi dengan kondisi pembebanan yang fluktuatif, penentuan masa guna isolasi dapat dinyatakan sebagai fungsi eksponensial terhadap temperatur hotspot tertinggi belitan. Per unit masa guna isolasi dapat ditentukan dengan persamaan berikut ini:
per unit masa guna
273 B H Ae (6)
per unit masa guna
273 15000 18e H 10 80 , 9 (7) dimana θH merupakan temperatur hotspot tertinggi belitan (0C).
Selanjutnya, perhitungan faktor percepatan penuaan atau FAA (Factor Aging
Acceleration) untuk kondisi temperatur hotspot yang berubah-ubah mengikuti fluktuasi beban
aktual transformator selama periode operasi 24 jam [8].
273 15000 383 15000 H e FAA (8)
Setelah nilai FAA diperoleh untuk setiap temperatur hotspot, kemudian menghitung faktor percepatan ekuivalen masa guna (dalam jam atau hari) dengan referensi temperatur yang akan digunakan dalam jangka waktu tertentu untuk siklus temperatur yang diberikan adalah sebagai berikut:
N 1 n n N 1 n AAn nt
t
F
EQAF
(9)dimana FEQA = faktor percepatan penuaan ekuivalen n = indeks dari interval waktu
N = jumlah total interval waktu
Δtn = interval waktu [jam]
Persentase penurunan masa guna isolasi dalam jangka waktu total (jam) dapat ditentukan mengikuti persamaan berikut:
% penurunan masa guna
isolasi normal guna masa t FEQA 100 (10)
dimana FEQA = faktor percepatan penuaan ekuivalen
t = total periode waktu operasi selama 1 hari [jam] masa guna normal isolasi = 20,55 tahun atau 180.000 jam
Metode Penelitian Percepatan Penuaan Termal pada Minyak Transformator Berikut ini metodologi dan tahapan-tahapan yang dilakukan pada penelitian ini:
Gambar 3. Diagram alur penelitian
Penelitian ini diawali dengan studi literatur, yaitu pembelajaran dan pengkajian jurnal-jurnal nasional maupun internasional mengenai studi kasus penuaan atau pemburukan pada minyak isolasi transformator, baik melalui internet maupun buku-buku yang dapat dijadikan referensi dalam melakukan penelitian. Kemudian penentuan lokasi eksperimen dan pengajuan proposal penelitian ke PT. PLN APP Cawang. Objek eksperimen yang diuji adalah minyak isolasi transformator daya yang masih dalam kondisi baru, yaitu minyak Nynas Nytro 10X. Pada eksperimen ini, sampel minyak mineral diperlakukan proses percepatan penuaan secara termal, dimana sampel minyak dipanaskan di dalam pemanas listrik selama 168 jam pada temperatur 1000C, 90 jam pada temperatur 1150C, dan 48 jam pada temperatur 1250C.
Kemudian dilakukan observasi perubahan fisik sampel minyak dan pengujian tegangan tembus minyak isolasi berdasarkan standar IEC 60156, dengan menggunakan elektroda berbentuk jamur dan jarak elektroda 2,5 mm. Nilai tegangan tembus yang bagus untuk minyak baru atau bekas pakai dengan standar tersebut adalah lebih besar dari 40 kV–60 kV.
Tahap selanjutnya adalah pengumpulan data sekunder mengenai profil pembebanan aktual transformator IBT CBN. Setelah semua data diperoleh, data diolah untuk memprediksi masa guna minyak isolasi transformator dengan menerapkan model Hukum Arrhenius pada IEEE Std. 101-1987 (Revisi IEEE Std. 101-1972). Sedangkan prediksi per unit masa guna isolasi pada kondisi pembebanan transformator IBT CBN fasa S dengan temperatur hotspot menggunakan model perhitungan pada IEEE Std C57.91-2011.
Peralatan, Bahan, dan Prosedur Penelitian
Adapun peralatan dan bahan yang diperlukan dalam eksperimen ini antara lain:
1. Minyak mineral jenis Nynas Nytro 10X yang digunakan pada transformator sebanyak 9 L 2. Gelas beaker ukuran 500 mL sebanyak 16 buah
3. Kawat tembaga sebanyak 8,6 gram untuk setiap sampel minyak isolasi
4. Satu set unit alat ukur tegangan tembus (Megger) dengan elektroda berbentuk jamur, jarak elektroda 2,5 mm serta sudah dilengkapi dengan termometer untuk mengukur temperatur minyak saat pengujian
5. Satu unit pemanas listrik (oven) 6. Satu pasang sarung tangan 7. Satu buah pinset
8. Satu buah masker
Sebelum proses percepatan penuaan secara termal dilakukan, sampel minyak baru akan dibagi menjadi 16 sampel, dimana setiap sampel ditempatkan ke dalam gelas beaker. Volume setiap sampel yang akan dipanaskan adalah 500 mL untuk setiap temperatur konstan 1000C (sebanyak 5 sampel), 1150C (sebanyak 5 sampel), dan 1250C (sebanyak 6 sampel). Setelah pengkondisian, penuaan termal disimulasikan dengan memanaskan sampel minyak di dalam pemanas (oven) listrik. Sampel secara langsung dibiarkan mendapat kontak dengan udara di dalam pemanas sebagai representasi sistem pernafasan pada transformator. Sebelumnya, katalis berupa kawat tembaga (yang sudah dibersihkan) sebanyak 8,6 gram ditambahkan dengan menggunakan pinset ke dalam setiap sampel minyak untuk mempercepat terjadinya proses oksidasi. Proses percepatan penuaan termal (pemanasan) dilakukan selama
168 jam pada temperatur 1000C, 90 jam pada temperatur 1150C, dan 48 jam pada temperatur 1250C dengan jadwal eksperimen seperti pada Gambar 5 di bawah ini.
Gambar 4. Proses pemanasan sampel minyak di dalam oven listrik
Gambar 5. Jadwal eksperimen percepatan penuaan termal
Setelah sampel minyak dikeluarkan dari pemanas listrik sesuai jadwal di atas, katalis berupa kawat tembaga dikeluarkan dari gelas beaker dengan menggunakan pinset. Sampel minyak dibiarkan dingin secara alami (selama ± 3–5 jam) pada temperatur ruang (200±50C). Kemudian dilakukan pengamatan secara visual terhadap perubahan fisik yang kemungkinan terjadi pada minyak pasca diterapkan penuaan secara termal. Kemudian, setelah sampel minyak dingin secara alami pada temperatur ruang, selanjutnya pengujian tegangan tembus dilakukan mengunakan alat ukur tegangan tembus (Megger).
Gambar 6. Alat uji tegangan tembus, bejana uji, bentuk, dan posisi elektroda
Hasil Penelitian dan Pembahasan
A. Analisis Pengaruh Penuaan terhadap Karakteristik Fisik Minyak Pasca Percepatan Penuaan Termal
Minyak isolasi jenis Nynas Nytro 10X dalam kondisi baru biasanya berwarna kuning keputihan (pucat), jernih, dan bebas dari endapan. Namun seiring dengan berjalannya operasi transformator yang terus-menerus dengan pembebanan yang berlebihan, tentunya akan muncul efek panas pada sistem isolasi dan menyebabkan temperatur minyak meningkat.
Setelah dilakukan observasi secara fisik terhadap sampel minyak pasca percepatan penuaan termal, ternyata dari hasil eksperimen menunjukkan bahwa percepatan penuaan secara termal mempunyai pengaruh terhadap warna sampel minyak yang diuji. Berikut ini gambar perbandingan warna sampel minyak mineral baru dan sampel minyak mineral setelah proses penuaan secara termal.
Gambar 7. (b) Perbandingan warna sampel minyak setelah penuaan pada temperatur 1150C dan 1250C
Jika diobservasi lebih seksama, ternyata pada sampel minyak tersebut sudah terbentuk endapan di dalamnya seperti pada Gambar 8 di bawah ini. Terbentuknya endapan dapat menjadi pertanda bahwa minyak isolasi tersebut sudah mengalami degradasi atau penurunan kualitas sebagai bahan isolasi, tentunya hal ini akibat dari penerapan tekanan termal dan proses oksidasi.
90 jam (1150C) 48 jam (1250C) Gambar 8. Terbentuknya endapan di dalam minyak mineral
Hal ini membuktikan adanya kesesuaian antara hasil eksperimen dengan teori bahwa pada saat penerapan tekanan termal (melalui pemanasan pada temperatur 1000C–1250C) pada minyak mineral, maka minyak akan teroksidasi dan terdekomposisi, sehingga mulai terbentuk senyawa asam karboksilat, perubahan warna, dan adanya endapan di dalamnya.
B. Analisis Pengaruh Penuaan terhadap Nilai Tegangan Tembus Minyak Pasca Percepatan Penuaan Termal
Tegangan tembus merupakan salah satu indikator bagus atau tidaknya kemampuan minyak isolasi dalam menjalankan perannya sebagai bahan isolasi cair pada transformator. Pengujian tegangan tembus minyak pasca penuaan termal dengan alat uji tegangan tembus dilakukan sebanyak 6 kali dan kemudian dihitung rata-ratanya untuk perolehan data yang lebih akurat. Adapun hasil pengujian tegangan tembus (Vbd) pada sampel minyak yang diuji setelah penuaan termal pada setiap penerapan temperatur 1000C, 1150C, dan 1250C sebagai berikut.
Gambar 9. Grafik tren penurunan tegangan tembus minyak mineral pada variasi temperatur yang berbeda
Dari grafik tren penurunan tegangan tembus pada Gambar 9 di atas, dapat diketahui adanya hubungan antara nilai tegangan tembus (Vbd) terhadap durasi penuaan (jam) pada setiap penerapan temperatur, dimana hubungannya adalah eksponensial (pangkat) negatif. Kemudian jika melihat dari sisi kenaikan temperatur terhadap karakteristik nilai tegangan tembus, maka dapat dikatakan bahwa semakin besar temperatur yang diterapkan pada percepatan penuaan termal, maka tegangan tembusnya akan semakin menurun.
y = 90e-0,013x y = 65e-0,012x y = 45e-0,022x 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 96 10 2 10 8 11 4 12 0 12 6 13 2 13 8 14 4 15 0 15 6 16 2 16 8 17 4 18 0 Tegan gan Tem b u s (k V)
Durasi Pemanasan (jam)
Grafik Tren Penurunan Tegangan Tembus
Temperatur 100C Temperatur 115C Temperatur 125C
C. Prediksi Masa Guna Minyak Isolasi Pasca Penuaan Termal
Dari hasil perhitungan masa guna isolasi menggunakan regreasi linear (kuadrat terkecil atau least square) dan pendekatan Hukum Arrhenius, maka diperoleh persamaan sebagai berikut: Tc 273 6 , 6914 7 e 10 6881 , 6 t (11)
dimana t = waktu/masa guna isolasi [jam]
Tc = temperatur material isolasi [Celcius]
A dan B = konstanta eksperimen yang berdasarkan material yang bereaksi, kondisi
reaksi, dan sistem dari unit
Sehingga untuk variasi penerapan tekanan termal, dapat ditentukan masa guna minyak isolasinya. Masa guna isolasi diprediksi pada setiap kenaikan temperatur minyak (ΔTc) sebesar 50C seperti pada tabel berikut ini:
Tabel 1. Prediksi masa guna minyak isolasi (secara eksperimen)
Kondisi Tc (0C) 1/(Tc+273) m(Tc) Masa guna isolasi
Kondisi Normal Operasi 50 0,0030960 7,18977 1325,794 jam 55 0,0030488 6,86343 956,645 jam 60 0,0030030 6,54690 697,079 jam 65 0,0029586 6,23973 512,719 jam 70 0,0029155 5,94151 380,511 jam 75 0,0028736 5,65187 284,824 jam 80 0,0028329 5,37043 214,955 jam 85 0,0027933 5,09685 163,506 jam 90 0,0027548 4,83081 125,312 jam 95 0,0027174 4,57200 96,737 jam Kondisi Operasi Pembebanan Darurat 100 0,0026810 4,32012 75,198 jam 105 0,0026455 4,07491 58,845 jam 110 0,0026110 3,83611 46,345 jam 115 0,0025773 3,60345 36,725 jam 120 0,0025445 3,37672 29,275 jam 125 0,0025126 3,15568 23,469 jam
Berikut ini gambar kurva Arrhenius dan kurva prediksi masa guna isolasi yang dapat diinterpretasikan dari hasil eksperimen penuaan termal pada minyak isolasi.
Gambar 10. Kurva Arrhenius pada percepatan penuaan minyak mineral transformator dalam variasi temperatur yang berbeda
Gambar 11. Kurva prediksi masa guna isolasi pada saat temperatur minyak = 500C–1250C dengan ΔT = 50C X: 0.0026810 Y: 4.32012 X: 0.0025773 Y: 3.60345 X: 0.0025126 Y: 3.15568 y = 6914.6x - 14.218 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 4,6 0,00250 0,00255 0,00260 0,00265 0,00270 ln ( t) 1/(Tc+273) Kurva Arrhenius ln t vs 1/T y = 16844e-0,054x 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 10 0 10 5 11 0 11 5 12 0 12 5 13 0 M asa gun a is o lasi (jam ) Temperatur minyak (0C)
Kurva Prediksi Masa Guna Isolasi (Temperatur = 500C–1250C, ΔT = 50C)
Dari kurva prediksi masa guna isolasi pada Gambar 11 dalam skala eksperimen (dilihat dari kondisi keseluruhan operasi transformator), masa guna isolasi akan berkurang secara eksponensial mengikuti persamaan:
x 05 , 0 e 16844 y
dimana x merupakan temperatur minyak isolasi (0C) dan y adalah masa guna isolasi (jam). Jika temperatur sampel minyak 600C pada transformator yang beroperasi secara normal, maka dapat diprediksi bahwa masa guna minyak isolasinya sebesar 697,079 jam. Jika transformator beroperasi pada pembebanan di luar kondisi normal (pembebanan darurat), dimana temperatur sampel minyaknya di atas 1000C, maka masa guna minyak isolasinya akan semakin berkurang dan hal itu berarti akan semakin mempercepat penuaan atau pemburukan pada minyak isolasinya.
D. Prediksi Masa Guna Minyak Isolasi pada Kondisi Pembebanan Aktual Transformator
Prediksi umur transformator daya pada variasi temperatur operasi tidak dapat ditentukan secara akurat, tetapi penyusutan atau penurunan masa guna isolasi pada temperatur tinggi dapat diperkirakan. Penurunan masa guna isolasi transformator tidak lepas pengaruhnya dari nilai akhir temperatur hotspot, karena nilai akhir dari temperatur hotspot mempengaruhi daya tahan isolasi dari transformator. Nilai akhir temperatur hotspot juga dipengaruhi oleh kondisi transformator saat melayani beban.
Pada prediksi masa guna isolasi ini, data sekunder profil beban diambil dari Tesis “Analisis Pengaruh Temperatur terhadap Masa Guna dan Pembebanan Darurat Transformator Daya” karya Dewanto Indra Krisnadi (2011), dimana objek penelitiannya adalah transformator IBT 1 di Gardu Induk Tegangan Ekstra Tinggi (GITET) CBN fasa S. Transformator tersebut merupakan produksi keluaran ABB (Asea Brown Boveri) tahun pembuatan 1995 dengan data sebagai berikut [9]:
Transformator, 167 MVA, 500/71,5 kV, 50 Hz, 1 fasa Sistem pendinginan ONAN/ONAF1/ONAF2
Rugi-rugi total/Rugi-rugi tanpa beban: 505,94 kW/104,43 kW Kenaikan temperatur belitan dan minyak bagian atas: 580C/530C Kenaikan rata-rata temperatur rata-rata minyak: 27,30C
Kenaikan rata-rata temperatur belitan: 44,70C Kenaikan temperatur minyak bagian atas: 430C
Pada analisis skripsi ini, penulis mengambil tiga kondisi pembebanan untuk mengetahui tingkat penurunan masa guna isolasi, antara lain:
a) Pembebanan pada keadaan normal b) Pembebanan darurat pada waktu lama c) Pembebanan darurat pada waktu singkat
1) Pembebanan pada Keadaan Normal Operasi
Pembebanan dasar dari sebuah transformator daya untuk pembebanan pada keadaan normal adalah pembebanan kontinyu pada keadaan pengenal ketika dioperasikan di bawah kondisi yang biasa. Pada pembebanan keadaan normal mendefinisikan suatu kondisi dimana sebuah transformator daya dapat dioperasikan pada temperatur hotspot di bawah 1100C.
Gambar 12. Grafik profil pembebanan pada kondisi normal
2) Pembebanan Darurat pada Waktu Lama
Pembebanan darurat untuk waktu lama merupakan penyusutan yang berkepanjangan dari beberapa elemen sistem dan menyebabkan temperatur hotspot melebihi batas yang disarankan untuk pembebanan dan melebihi rating pengenal dari transformator. Pembebanan darurat untuk waktu lama mendefinisikan suatu kondisi dimana sebuah transformator daya saat dibebani mempunyai temperatur hotspot melebihi 1100C, yaitu pada kisaran 1200 C-1400C. -0,10 0,10 0,30 0,50 0,70 0,90 1,10 1,30 1,50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 (pu) (0C) Jam (1 hari)
Grafik Profil Pembebanan Normal
Gambar 13. Grafik profil pembebanan darurat pada waktu lama
3) Pembebanan Darurat pada Waktu Singkat
Pembebanan darurat untuk waktu singkat ini mendefinisikan suatu kondisi dimana sebuah transformator daya saat dibebani pada temperatur hotspot mencapai 1800C untuk waktu yang singkat dan resikonya lebih besar daripada pembebanan darurat untuk waktu lama. Sehingga keadaan ini seharusnya dibatasi hanya sekali atau dua kali terjadi pada transformator selama masa pengoperasiannya.
Gambar 14. Grafik profil pembebanan darurat pada waktu singkat
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 0 20 40 60 80 100 120 140 160 (pu) (0C) Jam (1 hari)
Grafik Profil Pembebanan Darurat Waktu Lama
Temp. Ambient Temp. Hotspot Beban (pu)
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 (pu) (0C) Jam (1 hari)
Grafik Profil Pembebanan Darurat Waktu Singkat
Dari karakteristik grafik profil pembebanan dan temperatur hotspot transformator IBT CBN 1 fasa S selama 24 jam pada Gambar 12, 13, dan 14, kemudian dihitung per unit masa guna isolasinya (dengan menggunakan persamaan 7), faktor percepatan penuaan atau FAA (dengan menggunakan persamaan 8), faktor percepatan penuaan ekuivalen atau FEQA (dengan
menggunakan persamaan 9), serta persentase penurunan masa guna isolasinya (dengan menggunakan persamaan 10). Dari hasil perhitungan kemudian diperoleh hasil berikut ini:
Gambar 15. Grafik masa guna isolasi transformator IBT CBN fasa S berbagai kondisi pembebanan
a. Jika masa guna normal isolasi pada Transformator IBT CBN 1 fasa S sebesar 180.000 jam (atau 20,55 tahun), dimana diasumsikan transformator belum dioperasikan (atau dalam kondisi baru), maka:
Tabel 2. Persentase penurunan masa guna isolasi (masa guna normal isolasi 20,55 tahun)
No. Jenis Pembebanan % Penurunan Masa Guna Isolasi
1 Pembebanan pada Kondisi Normal Operasi 0,000544% per hari 2 Pembebanan Darurat pada Waktu Lama 0,012697% per hari 3 Pembebanan darurat pada waktu Singkat 0,256229% per hari
b. Pada kondisi kenyataannya di lapangan, Transformator IBT CBN 1 fasa S sudah dioperasikan selama 15 tahun, sehingga persentase penurunan masa guna isolasinya
terhadap sisa masa guna normal isolasinya hanya tinggal 48.180 jam (atau 5,5 tahun), maka:
Tabel 3. Persentase penurunan masa guna isolasi (sisa masa guna normal isolasi 5,5 tahun)
No. Jenis Pembebanan % Penurunan Masa Guna Isolasi
1 Pembebanan pada Kondisi Normal Operasi 0,002032% per hari 2 Pembebanan Darurat pada Waktu Lama 0,047435% per hari 3 Pembebanan darurat pada waktu Singkat 0,957268% per hari
Dari Tabel 2 dan 3 di atas, dapat diketahui bahwa tingkat penurunan masa guna isolasi akan semakin besar saat kondisi pembebanan darurat, khususnya pada saat pembebanan darurat pada waktu singkat. Hal ini terjadi karena terdapat beban yang luar biasa berat mencapai 1,98 pu atau 198% dari kapasitas maksimumnya dalam durasi singkat selama 1 jam, sehingga menyebabkan nilai akhir temperatur hotspot melonjak drastis mencapai 180,20C.
Kesimpulan
Dari studi literatur, penelitian, analisis dan pembahasan yang telah dilakukan, maka dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut:
1. Dari hasil eksperimen percepatan penuaan termal, didapatkan bahwa minyak isolasi akan mengalami degradasi atau penurunan kualitas sebagai bahan isolasi.
2. Semakin besar penerapan temperatur penuaan termal, maka akan semakin keruh warna minyak isolasi, serta semakin banyak endapan yang dihasilkan.
3. Semakin besar penerapan temperatur penuaan termal pada minyak, maka nilai tegangan tembus minyak akan semakin turun. Hubungan nilai tegangan tembus minyak terhadap durasi pemanasan adalah eksponensial.
4. Semakin tinggi temperatur yang diterapkan pada proses percepatan penuaan termal, maka semakin berkurang masa guna isolasinya secara eksponensial.
5. Berdasarkan hukum Arrhenius yang diterapkan pada eksperimen, jika temperatur sampel minyak 600C pada transformator yang beroperasi secara normal, maka prediksi masa guna minyak isolasinya sebesar 697,079 jam.
6. Dalam kondisi pembebanan yang fluktuatif pada transformator, semakin tinggi temperatur hotspotnya, maka semakin berkurang masa gunanya secara eksponensial. Prediksi persentase penurunan masa guna isolasi transformator IBT CBN fasa S pada
kondisi pembebanan normal, pembebanan darurat waktu lama, serta pembebanan darurat waktu singkat berturut-turut sebesar 0,002032%, 0,047435%, dan 0,957268% terhadap sisa masa guna normal isolasinya 5,5 tahun.
Daftar Acuan
[1] Bicen, Yunus et al. (2012). Aging of Paper Insulation in Natural Ester & Mineral Oil. Electrical and Electronic Engineering 2012, 2(3): 141-146.
[2] Bartnikas, R. (1997). The Electrical Engineering Handbook, Second Edition (Dielectrics
and Insulators). R.C.Dorf, Ed.: CRC Press.
[3] Yuliastuti, Endah. (2010). Analysis of Dielectric Properties Comparison between Mineral
Oil and Synthetic Ester Oil. Master Thesis. Delft University of Technology.
[4] Taghikhani, M.A. (2011). Power Transformer Insulation Lifetime Estimation Methods. International Journal of Energy Engineering 2011; 1(1): 9-11.
[5] Institute of Electrical and Electronics Engineers. (1987). IEEE Guide for the Statistical
Analysis of Thermal Life Test Data. New York: Author.
[6] Dakin, Thomas W. (1948). Electrical Insulation Deterioration Treated as a Chemical
Rate Phenomenon. AIEE Transactions Volume 67.
[7] Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). (2011). IEEE Guide for Loading
Mineral-Oil-Immersed Transformers and Step-Voltage Regulator. New York: Author.
[8] Srinivasan, M., & Krishnan, A. (2013, January). Effect of Environmental Factors in
Transformer’s Insulation Life. WSEAS Transactions on Power System, Issue 1, Vol. 8.
[9] Krisnadi, Dewanto Indra. (2011). Analisis Pengaruh Temperatur terhadap Masa Guna
dan Pembebanan Darurat Transformator Daya. Tesis. Depok: Universitas Indonesia.
Daftar Pustaka
Arismunandar, Artono. (1984). Teknik Tegangan Tinggi. Jakarta: Pradnya Paramita.
Arismunandar, Artono. (1983). Teknik Tegangan Tinggi Suplemen. Jakarta: Ghalia Indonesia. Chapman, Stephen J. (1999). Electric Machinery Fundamentals (3rd ed.). Singapura:
McGraw-Hill.
Heatchote, Martin J. (2007). The J & P Transformer Book (13th ed.). Great Britain: Newnes. Wibisono, M.S., Winarsih, Wiwien. (2009). Buku Panduan Perencanaan Tanggap Darurat
Penanggulangan Tumpah Minyak di Kawasan Pantai/Laut dan Tinjauan Perundangan Sehubungan dengan Klaim Ganti Rugi. Jakarta: UI Press.
![Gambar 1. Mekanisme degradasi (pemburukan) pada minyak [3]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/4784603.3440262/3.892.155.751.329.938/gambar-mekanisme-degradasi-pemburukan-minyak.webp)
![Gambar 2. Diagram termal pada lilitan transformator [7]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/4784603.3440262/5.892.168.728.309.1087/gambar-diagram-termal-pada-lilitan-transformator.webp)
