ANALISIS KINERJA ISOLASI TRANSFORMATOR TENAGA AKIBAT PENGARUH PEMBEBANAN (STUDI KASUS TRANSFORMATOR TENAGA 3 GARDU

(1)

i SKRIPSI

ANALISIS KINERJA ISOLASI TRANSFORMATOR TENAGA AKIBAT PENGARUH PEMBEBANAN

(STUDI KASUS TRANSFORMATOR TENAGA 3 GARDU INDUK GAS INSULATED SWITCHGEAR LISTRIK MEDAN)

Diajukan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada

Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Oleh

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

RONALDO SARAGIH NIM : 100402101

2017

(2)

ii

(3)

iii

(4)

i ABSTRAK

Perkiraan umur normal transformator tidak dapat dihitung secara pasti karena bemacam-macam faktor. Transformator tenaga didesain untuk beroprasi dengan suhu lingkungan sekitar 20 ⁰C. Semakin tinggi suhu lingkungan semakin pendek umur operasional dan semakin besar juga susut umur dari transformator tenaga tersebut. Susut umur transformator tenaga dipengaruhi oleh isolasi belitan trafo dan minyak trafo. Salah satu kerusakan atau kegagalan isolasi dari minyak trafo diakibatkan dari perubahan suhu atau suhu sekitar pada transformator tenaga terendam minyak tersebut. Pemanasan pada belitan trafo dapat mengakibatkan isolasi menjadi rusak dan kenaikan temperatur minyak akan mengubah sifat serta komposisi minyak trafo. Pada Skripsi ini meneliti pengaruh pembebanan tranformator tenaga dan pengaruh suhu lingkungan kota Medan terhadap susut umur dilihat dari penurunan isolasi belitan transformator serta menganalisis susut umur trafo tenaga 3 Gardu Induk Gas Insulated Switchgear (GI GIS) Listrik Medan dengan mengacu pada pada standar IEC 354 tahun 1972. Suhu rata-rata tahunan kota Medan berdasarkan data BMKG tahun 2016 berada di antara 27 ⁰C hingga 29 ⁰C dimana hal ini akan mengakibatkan penurunan umur isolasi transformator. Hasil penelitian diperoleh pembebanan tranformator tenaga 80%

daya pengenal mengakibatkan susut umur sebesar 39%, pembebanan 90%

mengakibatkan susut umur sebesar 130%, dan pembebanan 100% menghasilkan susut umur sebesar 483%. Berdasar data pembebanan tahun 2016 susut umur transformator tenaga 3 GI GIS Listrik dengan pembebanan maksimum tanggal 30 Nopember menghasilkan susut umur 19,03% dengan perkiraan umur transformator sebesar 229 tahun

Kata Kunci : Transformator Tenaga, susut umur, pembebanan.

(5)

ii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan rahmat yang telah diberikan-Nya kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi yang berjudul “Analisis Kinerja Isolasi Transformator Tenaga Akibat Pengaruh Pembebanan (Studi Kasus Transformator Tenaga 3 Gardu Induk Gas Insulated Switchgear Listrik Medan”. Penulisan Skripsi ini merupakan salah satu persyaratan untuk menyelesaikan studi dan memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Skripsi ini penulis persembahkan untuk kedua orang tua yang telah membesarkan penulis dengan kasih sayang yang tak ternilai harganya, yaitu Mudi Saragih dan Mayurlina Tondang, saudara kandung penulis Fenry Saragih, Chandra Saragih, Rosdiana Saragih, serta Mery Saragih, atas kasih, perhatian, dan dukungannya hingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini dengan baik.

Selama masa kuliah sampai masa penyelesaian Skripsi ini, penulis mendapat dukungan, dan bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu, dengan setulus hari penulis hendak menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar – besarnya kepada :

1. Bapak Dr. Ir. Fahmi, ST, M.Sc, IPM sebagai Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU serta Bapak Ir. Arman Sani, MT sebagai Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT USU

2. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si sebagai Dosen Pembimbing Skripsi yang telah banyak meluangkan waktu dan pikirannya untuk memberikan bantuan, bimbingan, dan pengarahan kepada penulis selama penyusunan Skripsi ini. Terima kasih sebesar-besarnya penulis ucapkan untuk Beliau.

3. Bapak Ir. Syamsul Amien, M.S dan Bapak Ir. Raja Harahap, MT sebagai dosen pembanding Skripsi yang turut menyusun Skripsi ini.

4. Seluruh staf dosen dan pengajar serta pegawai administrasi Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU

5. Teman–teman stambuk 2010: Enjoi Capital Sinaga, Reikson Parhusip, Novenri Amabarita, Daniel Sembiring, Andry Marpaung, Christoper

(6)

iii

Pasaribu, Meikolin Saimara dan teman – teman 2010 lain yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu terima kasih atas dukungan dan semangat yang diberikan kepada penulis.

6. Semua abang – kakak senior dan adik – adik junior yang telah mau berbagi pengalaman dan motivasi kepada penulis.

7. Semua orang yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu, penulis ucapkan terima kasih banyak.

Penulis menyadari bahwa Skripsi ini tidak luput dari kesalahan – kesalahan, baik segi tata bahasa maupun dari segi ilmiah. Untuk itu, penulis akan menerima dengan terbuka, segala saran dan kritik yang ditujukan untuk memperbaiki Skripsi ini. Akhir kata, semoga Skripsi ini bermanfaat bagi penulis dan pembaca.

Medan, April 2017 Penulis

Ronaldo Saragih

(7)

iv

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... ii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR GAMBAR ... vi

DAFTAR TABEL ... vi

BAB IPENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang Masalah ... 1

1.2 Rumusan Masalah ... 2

1.3 Tujuan Penelitian ... 2

1.4 Batasan Masalah ... 2

1.5 Manfaat Penelitian ... 2

1.6 Metode Penulisan ... 3

1.7 Sistematika Penulisan ... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1 Umum ... 5

2.2 Konstruksi Transformator ... 6

2.2.1 Tipe Inti (Core Type) ... 6

2.2.2 Tipe Cangkang (Shell Type) ... 7

2.3 Prinsip Kerja Transformator ... 7

2.3.1 Keadaan Transformator Tanpa Beban ... 8

2.3.2 Keadaan Transformator Berbeban ... 10

2.4 Rugi-rugi Pada Transformator ... 11

2.5 Isolasi Kumparan Transformator Daya Tegangan Tinggi ... 12

2.6 Jenis Pendingin Transformator Daya ... 13

2.7 Temperatur Hot-spot ... 14

2.8 Pengaruh Pembebanan Terhadap Umur Isolasi ... 16

2.8.1 Pada Kondisi Beban Stabil ... 16

2.8.2 Pada Kondisi Untuk Beban Berubah-ubah ... 17

2.9 Penentuan Umur Isolasi Transformator. ... 18

2.10 Umur Pemakaian Relatif ... 19

2.11 Persamaan Diagram Kehilangan Umur dalam Periode 24 Jam ... 19

(8)

v

BAB IIIMETODE PENELITIAN ... 21

3.1 Tempat dan Waktu ... 21

3.2 Metode Pengumpulan Data ... 21

3.3 Tahapan Perhitungan ... 22

3.4 Flowchart Penyelesaian Perhitungan Susut Umur Isolasi Transformator... 23

BAB IVHASIL DAN PEMBAHASAN ... 24

4.1 Data Masukan ... 24

4.2. Pengaruh Pembebanan Transformator Dengan Beban Konstan ... 25

4.2.1. Perhitungan-perhitungan ... 25

4.2.2 Pengaruh Suhu Sekitar ... 32

4.2.3. Menentukan Perkiraan Umur ... 34

4.3. Analisa Real Dengan Data Yang Ada ... 35

4.3.1. Perhitungan-Perhitungan ... 35

BAB VPENUTUP ... 43

5.1 Kesimpulan ... 43

5.2 Saran ... 43

Daftar Pustaka ... 44

(9)

vi

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Konstruksi transformator tipe inti (core type) Gambar 2.2 Konstruksi transformator tipe cangkang (shell type) Gambar 2.3 Transformator dalam keadaan tanpa beban

Gambar 2.4 Transformator dalam keadaan berbeban

Gambar 4. 1 Grafik Hubungan Antara Susut Umur Dengan Umur Transformator

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Pembebanan Gardu Induk GIS Listrik Medan Tanggal 30 Nopember 2016.

Tabel 4.2 Tabel Variasi Beban

Tabel 4.3 Suhu Udara Kota Medan sekitarnya pada periode Desember 2015 sampai Nopember 2016

Tabel 4.4 Tabel Pengaruh Suhu Ambient

Tabel 4.5 Susut umur dari berbagai macam pembebanan

Tabel 4.6 Perhitungan-perhitungan untuk jenis pendingin ONAN Tabel 4.7 Perhitungan-perhitungan untuk jenis pendingin ONAF

(10)

1 BAB I

PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah

Energi listrik telah menjadi salah satu energi yang sangat dibutuhkan oleh masyarakat. Kebutuhan akan ketersediaan tenaga listrik saat ini sangat tinggi dengan banyaknya peralatan rumah tangga maupun industri yang menggunakan tenaga listrik sebagai sumber tenaganya, sehingga diperlukan suatu sistem yang handal namun tetap ekonomis. Sehingga untuk menunjang permintaan energi yang tinggi ini harus diimbangi dengan peningkatan kualitas energi listrik yang disalurkan.

Peningkatan kualitas energi listrik dapat dilakukan dengan memperbaiki peralatan listrik yang digunakan. Salah satu peralatan yang penting yang digunakan dalam penyaluran energi listrik adalah transformator. Transformator yang digunakan dalam sistem tenaga memiliki fungsi untuk menaikkan dan menurunkan tegangan sesuai dengan kebutuhan pelanggan. Sehingga peralatan ini diusahakan agar berusia panjang dan dapat lama digunakan.

Umur trafo dapat dilihat dari penurunan isolasi belitan transformator. Faktor yang mempengaruhi penurunan isolasi belitan trafo diantaranya adalah kualitas minyak trafo, suhu minyak trafo, pola pembebanan, pengaruh suhu trafo, kualitas minyak trafo, dan kelembaban udara.

Pembebanan trafo akan mengakibatkan kenaikan suhu pada isolasi transformator baik isolasi yang bersifat padat, misalnya kertas maupun isolasi minyak. Kenaikan suhu ini akan mengakibatkan penurunan kualitas dari isolasi trafo, sehingga perlu diketahui pemeliharaan rutin pada transformator untuk menjaga umur trafo bisa lama.

(11)

2 1.2 Rumusan Masalah

Adapun rumusan masalah dari Skripsi ini adalah sebagai berikut:

1. Bagaimana pengaruh pembebanan terhadap penyusutan umur trafo ditinjau dari umur isolasinya.

2. Bagaimana pengaruh suhu lingkungan terhadap penyusutan umur trafo.

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penulisan Skripsi ini adalah:

1. Mengetahui pengaruh pembebanan terhadap susut umur transformator tenaga GI GIS Listrik Medan.

2. Mengetahui pengaruh suhu sekitar terhadap susut umur transformator tenaga GI GIS Listrik Medan.

3. Mengatahui susut umur transformator tenaga terendam minyak GI GIS Listrik Medan

1.4 Batasan Masalah

Pembahasan Skripsi ini akan menjadi terarah dan dapat mencapai hasil yang diinginkan dengan membuat batasan masalah yang akan dibahas. Adapun batasan masalah dalam penulisan Skripsi ini adalah:

1. Penelitian dilakukan pada Transformator Tenaga 3 GI GIS Listrik Medan.

2. Hanya menganalisis pengaruh suhu lingkungan dan pengaruh pembebanan trafo terhadap umur isolasi trafo.

3. Tidak membahas kualitas minyak trafo.

4. Penyusutan umur trafo dilihat dari isolasi kumparan trafo saja.

5. Sistem dianggap ideal tanpa adanya pengaruh dari arus urutan nol.

1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah dapat menentukan susut umur trafo karena pengaruh suhu lingkungan dan juga pengaruh pembebanan. Hasil yang diperoleh dapat digunakan sebagai acuan dalam menentukan umur suatu trafo

(12)

3

yang digunakan dalam sistem tenaga sehingga keandalan sistem dapat ditingkatkan.

1.6 Metode Penulisan

Adapun metodologi yang digunakan untuk menyelesaikan penelitian ini di antaranya adalah:

1. Studi literatur

Yaitu dengan mempelajari buku referensi, jurnal, artikel dari internet, dan bahan kuliah yang berhubungan dengan penelitian Skripsi ini.

2. Studi lapangan

Yaitu pengambilan data spesifikasi dan data parameter Transformator beserta isolasi yang akan diteliti di institusi yang bersangkutan, dalam hal ini adalah PT. PLN PERSERO GI GIS Listrik Medan

3. Metode diskusi

Yaitu berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing, Institusi yang bersangkutan, dan teman-teman sesama mahasiswa mengenai masalah- masalah yang timbul selama penulisan Skripsi ini berlangsung.

4. Melakukan Analisis

Yaitu melakukan pengolahan data atau perhitungan-perhitungan yang diperlukan untuk penelitian Skripsi.

1.7 Sistematika Penulisan

Penulisan Skripsi ini ditulis dan disusun berdasarkan sistematika yang benar. Adapun sistematika dalam penulisan Skripsi ini adalah sebagai berikut:

Bab I. Pendahuluan

Bab ini membahas tentang latar belakang masalah, rumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, manfaat penelitian, metode penulisan dan sistematika penulisan.

(13)

4 Bab II. Tinjauan Pustaka

Bab ini berisi teori umum tentang transformator, jenis penndingin pada transformator, temperatur hot spot, pengaruh pembebanan, dan susut umur isolasi transformator.

Bab III. Metode Penelitian

Bab ini beerisi tempat dan waktu penelitian, metode pengumpula data, dan tahapan-tahapan perhitungan dalam penelitian.

Bab IV. Hasil dan Pembahasan

Bab ini berisi tentang data penelitian dan hasil analisi data.

Bab V. Kesimpulan dan Saran

Bab ini merupakan bab penutup yang berisi kesimpulan dari Skripsi dan saran penulis kepada pembaca.

(14)

5 BAB II

TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Umum

Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnet [1]. Transformator digunakan untuk menaikkan ataupun menurunkan tegangan listrik sesuai dengan kebutuhan. Hal ini dilakukan untuk meningkatkan keandalan tenaga listrik yang akan disalurkan ke konsumen.

Tegangan tinggi yang dinaikkan dengan transformator digunakan pada saluran transmisi, hal ini dilakukan untuk mengurangi rugi-rugi yang terjadi pada saluran, dengan menaikkan tegangan maka rugi-rugi saluran dapat diperkecil. Setelah itu tegangan akan diturunkan pada gardu distribusi untuk selanjutnya disalurkan pada pelanggan.

Di dalam bidang elektronika, trafo banyak digunakan antara lain untuk [2]:

1. Gandengan impedansi (input impedance) antara sumber dan beban.

2. Menghambat arus searah (DC = Direct Current) dan melewatkan arus bolak-balik.

3. Menaikkan dan menurunkan tegangan AC.

Berdasarkan frekuensi kerja, trafo dikelompokkan menjadi:

1. Trafo daya (50-60) Hz

2. Trafo pendengaran (20 Hz – 20 KHz) 3. Trafo MF (455 KHz)

4. Trafo RF (>455KHz)

Trafo RF disebut juga spul Oscillator atau spul Antena.

Pengelompokan trafo di dalam bidang tenaga listrik adalah:

1. Trafo daya

Trafo ini digunakan untuk menaikkan tegangan sampai ratusan ribu Volt

2. Trafo distribusi 3. Trafo pengukuran

(15)

6

Trafo ini terdiri atas trafo arus dan trafo tegangan.

Di dalam bentuk dasar, inti trafo terdiri dari tiga macam, yaitu:

1. Open core (inti terbuka) 2. Closed core (inti tertutup)

3. Shell core (inti bentuk cangkang)

Transformator yang digunakan dalam sistem tenaga dapat berupa transformator 3-fasa dan dapat pula transformator 1-fasa. Jika transformator 3-fasa dibandingkan dengan 3 buah transformator 1-fasa yang kapasitasnya sama, ternyata berat transformator 3-fasa kira-kira 80% dari berat transformator 1-fasa.

Transformator 3-fasa juga lebih menguntungkan dalam hal pondasi, pengawatan (wiring) dan ruang yang diperlukan. Tetapi untuk kelas 500 kV, transformator 1- fasa yang dipakai karena sulitnya pengangkutan.Untuk menanggulangi masalah pengangkutan dipakai transformator 3-fasa khusus, yang dapat diangkut dalam keadaan 1-fasa dan kemudian dihubungkan menjadi 3-fasa di dalam minyak, dengan bushingnya dipasang di tempat [3].

2.2 Konstruksi Transformator

Pada dasarnya transformator terdiri dari kumparan primer dan kumparan sekunder yang dibelitkan pada inti ferromagnetik. Transformator yang menjadi fokus disini adalah transformator daya.

Konstruksi transformator daya ada pada 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 [4].

2.2.1 Tipe Inti (Core Type)

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

(16)

7

Gambar 2.1 Konstruksi transformator tipe inti (core type)

2.2.2 Tipe Cangkang (Shell Type)

Jenis konstruksi transformator yang kedua adalah tipe cangkang yang dibentuk dari lapisan inti berisolasi dan kumparan dibelitkan di pusat inti, dapat dilihat pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Konstruksi transformator tipe cangkang (shell type)

2.3 Prinsip Kerja Transformator

Trafo terrdiri dari dua gulungan kawat yang terpisah satu sama lain, yang dibelitkan pada inti yang sama.

Daya listrik dipisahkan dari kumparan primer ke kumparan sekunder dengan perantaraan garis gaya magnet (flux magnet) yang dibangkitkan oleh aliran listrik yang mengalir melalui kumparan primer.

Untuk dapat membangkitkan tegangan listrik pada kumparan sekunder flux magnet yang dibangkitkan oleh kumparan primer harus berubah-ubah. Untuk memenuhi hal ini, aliran listrik yang mengalir melalui kumparan primer haruslah aliran listrik bolak-bolik.

(17)

8

Saat kumparan primer dihubungkan ke sumber listrik AC, pada kumparan primer timbul gaya gerak magnet bersama yang bolak-balik juga. Dengan adanya gaya gerak maget ini, di sekitar kumparan primer timbul flux magnet bersama yang juga bolak-balik. Adanya flux magnet bersama ini pada ujung-ujung kumparan sekunder yang mungkin sama, lebih tinggi, atau lebih rendah dari gaya gerak listrik primer. Hal ini bergantung pada perbandingan transformasi kumparan trafo tersebut.

Jika kumparan sekunder dihubungkan ke beban, maka pada kumparan sekunder timbul arus listrik bolak-balik sekunder akibat adanya gaya gerak listrik induksi primer. Hal ini mengakibatkan timbulnya gaya gerak magnet pada kumparan sekunder dan akibatnya pada beban timbul tegangan sekunder.

Kombinasi antar gaya gerak magnet induksi sekunder dan primer disebut induksi silang atau mutual induction [1].

2.3.1 Keadaan Transformator Tanpa Beban

Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber tegangan V1 yang sinusoidal, akan mengalir arus primer I0 yang juga sinusoidal dan dengan menganggap belitan N1 reaktif murni, I0 akan tertinggal 90⁰dari juga V₁ (Gambar 2.3b). Arus primer I₀ menimbulkan fluks (Φ) yang sefasa dan juga berbentuk sinusoidal [4].

Gambar 2.3 Transformator dalam keadaan tanpa beban

(18)

9

Φ = Φ𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 sin 𝜔𝜔𝜔𝜔 ……….………..(2.1) Fluks yang sinusoidal ini akan menghasilkan tegangan induksi 𝑒𝑒₁ (Hukum Faraday).

𝑒𝑒1 = −𝑁𝑁1𝑑𝑑Φ 𝑑𝑑𝜔𝜔

𝑒𝑒₁ = −𝑁𝑁₁𝑑𝑑(Φ𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 sin 𝜔𝜔𝜔𝜔) 𝑑𝑑𝜔𝜔

𝑒𝑒₁ = −𝑁𝑁₁ 𝜔𝜔 Φ_{𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚} cos 𝜔𝜔𝜔𝜔 (tertinggal 90⁰ dari Φ)……….….(2.2)

Dimana : 𝑒𝑒₁ = Gaya gerak listrik induksi (Volt) 𝑁𝑁₁ = Jumlah belitan di sisi primer 𝜔𝜔 = Kecepatan sudut putar (rad/s)

Φ = Fluks magnetik (Tesla)

Harga efektifnya:

E₁ = ^N¹^ωΦ^maks

√2

E1 = ^N¹^2πfΦ_√2^maks E₁ = ^N¹ 2 x 3,14 fΦ_maks

√2

E1 = ^N¹^{6,28 fΦ}_√2 ^maks

E₁ = 4,44 N₁f Φ_maks………...(2.3)

Pada rangkaian sekunder, fluks (Φ) bersama tadi menimbulkan:

𝑒𝑒₂ = −𝑁𝑁₂^𝑑𝑑Φ_{𝑑𝑑𝜔𝜔}

𝑒𝑒2 = −𝑁𝑁2 𝜔𝜔 Φ𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 cos 𝜔𝜔𝜔𝜔

𝐸𝐸2 = 4,44 𝑁𝑁2 𝑓𝑓 Φ𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚………..(2.4)

(19)

10 Sehingga

𝐸𝐸₁ 𝐸𝐸₂ = ^𝑁𝑁_𝑁𝑁¹

2

Dengan mengabaikan rugi tahanan dan adanya fluks bocor, diperoleh hubungan:

𝐸𝐸₁ 𝐸𝐸₂

=

^𝑉𝑉_𝑉𝑉¹

2

=

^𝑁𝑁_𝑁𝑁¹

2

=

^a………(2.5) Dimana: 𝐸𝐸₁ = GGL induksi di sisi primer (Volt)

𝐸𝐸₂ = GGL induksi di sisi sekunder (Volt) 𝑉𝑉₁ = Tegangan terminal di sisi primer (Volt) 𝑉𝑉2 = Tegangan terminal di sisi sekunder (Volt) 𝑁𝑁1 = Jumlah belitan di sisi primer

𝑁𝑁₂ = Jumlah belitan di sisi primer f = Frekuensi (Hertz)

a = Faktor transformasiV₂

2.3.2 Keadaan Transformator Berbeban

Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban Z_L, I₂ akan mengalir pada kumparan sekunder, dimana

𝐼𝐼₂ =^V_𝑍𝑍²

𝑙𝑙,

Gambar 2.4 Transformator dalam keadaan berbeban

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

(20)

11

IM. Agar fluks bersama itu tidak berubah nilainya, pada kumparan primer harus mengalir arus 𝐼𝐼₂^′, yang menentang fluks yang dibangkitkan oleh arus beban I₂, hingga keseluruhan arus yang mengalir pada kumparan primer menjadi [4]:

𝐼𝐼₁ = 𝐼𝐼₀+ 𝐼𝐼₂^′ (ampere)……….……….(2.6)

Bila komponen arus rugi tembaga (𝐼𝐼_𝐶𝐶) diabaikan, maka 𝐼𝐼₁ = 𝐼𝐼_𝑀𝑀, sehingga:

𝐼𝐼1 = 𝐼𝐼𝑀𝑀+ 𝐼𝐼₂^′ (ampere)…………...……….(2.7)

Untuk menjaga agar fluks tetap tidak berubah sebesar ggm yang dihasilkan oleh arus pemagnetan I_M saja, berlaku hubungan:

𝑁𝑁₁𝐼𝐼_𝑀𝑀 = 𝑁𝑁₁𝐼𝐼₁− 𝑁𝑁₂𝐼𝐼₂

𝑁𝑁1𝐼𝐼𝑀𝑀 = 𝑁𝑁1(𝐼𝐼1+ 𝐼𝐼𝑀𝑀) − 𝑁𝑁2𝐼𝐼2

Hingga

𝑁𝑁₁𝐼𝐼₂^′ = 𝑁𝑁₂𝐼𝐼₂………...……….(2.8)

Karena nilai 𝐼𝐼_𝑀𝑀 dianggap kecil maka 𝐼𝐼₂^′ = 𝐼𝐼₁ Jadi,

𝑁𝑁₁𝐼𝐼₁ = 𝑁𝑁₂𝐼𝐼₂ atau

𝐼𝐼₁ 𝐼𝐼₂ =^𝑁𝑁_𝑁𝑁²

1 =_𝑚𝑚¹………...……….………..(2.9)

2.4 Rugi-rugi Pada Transformator

Sampai saat ini hanya transformator ideal yang memenuhi hukum dasar transformator yaitu, tegangan dan arus diubah menurut rasio transformator, dan daya keluaran sama dengan daya masukan transformator. Kondisi dari transformator ideal selalu berusaha dicapai tapi tidak pernah dapat diwujudkan dalam transformator yang nyata.Perubahan tegangan dan arus selalu lebih kecil daripada nilai yang diprediksikan menurut rasio belitan transformator karena adanya rugi-rugi [5].

(21)

12

Beberapa rugi-rugi yang terjadi di dalam transformator diantaranya adalah rugi- rugi inti besi.Rugi-rugi pada inti besi dapat disebabkan oleh fluks bocor pada inti besi. Beberapa yang termasuk rugi-rugi besi adalah [1]:

1. Rugi hysteresis, yaitu rugi yang disebabkan fluks bolak-balik pada inti besi, yang dinyatakan dengan:

𝑃𝑃_ℎ = 𝐾𝐾_ℎ 𝑓𝑓 𝐵𝐵_{𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚}^1.6 ………(2.10)

Dimana: 𝑃𝑃_ℎ = rugi-rugi hysteresis (Watt) 𝐾𝐾_ℎ = konstanta

𝑓𝑓 = frekuensi (Hertz)

𝐵𝐵_{𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚} = kerapatan fluks maksimum (Tesla)

2. Rugi arus Eddy, yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi.

Dirumuskan:

𝑃𝑃_𝑒𝑒 = 𝐾𝐾_𝑒𝑒𝑓𝑓²𝐵𝐵_{𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚}² ………..(2.11) Dimana: 𝑃𝑃𝑒𝑒 = rugi arus Eddy (Watt)

𝑓𝑓 = frekuensi (Hertz) 𝐾𝐾_𝑒𝑒 = konstanta

𝐵𝐵𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = kerapatan fluks maksimum (Tesla) Jadi, rugi-rugi yang terjadi pada inti besi dapat dirumuskan:

𝑃𝑃_𝑖𝑖 = 𝑃𝑃_ℎ + 𝑃𝑃_𝑒𝑒 ………...(2.12) Sementara rugi-rugi yang terjadi pada konduktor yang digunakan pada belitan transformator disebut rugi tembaga. Rugi tembaga terjadi karena arus yang mengalir pada belitan tembaga, nilainya:

𝑃𝑃_{𝐶𝐶𝐶𝐶} = 𝐼𝐼²𝑅𝑅 ……….(2.13) Karena arus beban berubah-ubah, rugi tembaga juga tidak konstan bergantung pada beban.

2.5 Isolasi Kumparan Transformator Daya Tegangan Tinggi

Konstruksi isolasi trafo daya, khususnya trafo daya bertegangan tinggi, adalah sangat rumit. Masing-masing komponen transformer, yaitu belitan, elemen

(22)

13

kumparan tegangan tinggi dan kumparan tegangan rendah harus diisolasi satu sama lain, elemen kumparan diisolasi juga terhadap inti dan gandar dibumikan.

Dengan demikian isolasi trafo daya dapat dibagi tiga jenis, yaitu:

1. Isolasi minor, yaitu isolasi yang memisahkan satu belitan dengan belitan lain dalam satu elemen kumparan.

2. Isolasi mayor, yaitu isolasi yang memisahkan kumparan tegangan tinggi dengan bagian yang bertegangan rendah. Isolasi ini terbagi lagi atas isolasi utama, yang memisahkan kumparan tegangan tinggi dengan kumparan tegangan rendah; dan isolasi gandar yang memisahkan belitan tegangan tinggi dengan gandar.

3. Isolasi fasa, yaitu isolasi antara tegangan tinggi dengan kumparan tegangan tinggi yang lain pada trafo tiga fasa.

Isolasi mayor, isolasi minor, dan isolasi fasa, ketiganya disebut isolasi kumparan tegangan tinggi. Penamaan ini diberikan karena kumparan tegangan tinggi merupakan elektroda yang harus diisolasi terhadap bagian-bagian trafo yang bertegangan rendah.Bahan isolasi yang utama digunakan, baik untuk isolasi mayor maupun minor, adalah minyak trafo yang dikombinasikan dengan dielektrik padat [6].

2.6 Jenis Pendingin Transformator Daya

Pada inti besi dan kumparan-kumparan akan timbul panas akibat rugi-rugi besi dan rugi-rugi tembaga. Bila panas tersebut mengakibatkan kenaikan suhu yang berlebihan, akan merusak isolasi (di dalam transformator). Maka untuk mengurangi kenaikan suhu transformator yang berlebihan maka perlu dilengkapi dengan alat/sistem pendingin untuk menyalurkan panas keluar transformator.

Media yang dipakai pada sistem pendingin dapat berupa [7]:

1. Udara/gas 2. Minyak 3. Air

4. Dan lain sebagainya

(23)

14

Sedangkan pengalirannya (sirkulasi) dapat dengan cara:

1. Alamiah (natural) 2. Tekanan/paksaan

Jenis pendingin pada transformator daya dapat dibedakan menjadi [8]:

1. Transformator ONAN yaitu adalah transformator dengan minyak sebagai pendingin kumparan transformator yang bersirkulasi secara alami dan dengan udara sebagai pendingin luar transformator yang bersirkulasi secara alami pula.

2. Transformator ONAF yaitu transformator dengan minyak sebagai pendingin transformator yang bersirkulasi secara alami dan dengan udara sebagai pendingin luar transformator yang besirkulasi secara paksa/buatan.

3. Transformator OFAF yaitu transformator dengan minyak sebagai pendingin transformator yang bersirkulasi secara paksa/buatan dan dengan udara sebagai pendingin luar transformator yang besirkulasi secara paksa/buatan.

4. Transformator OFWF yaitu transformator dengan minyak sebagai pendingin transformator yang bersirkulasi secara paksa/buatan dan dengan air sebagai pendingin luar transformator yang bersirkulasi secara paksa/buatan.

2.7 Temperatur Hot-spot

Pendekatan yang mungkin untuk mengukur temperatur hot-spot adalah dengan menggunakan teknik serat optik atau menggunakan model thermal dari transformator daya. Karena kompleksitas fenomena perpindahan panas sehingga dibuat model thermal yang tepat.Diagram thermal telah diterbitkan oleh IEC.

Sebuah Diagram digunakan untuk memberikan [9] : a. Penyebaran temperatur pada belitan b. Nilai-nilai temperatur pada titik tertentu

Kenaikan temperatur hot-spot lebih tinggi daripada kenaikan rata-rata kumparan atas.Untuk menghitung perbedaan dari kenaikan temperature ini, nilai dari 0.1 ∆𝜃𝜃_{𝑤𝑤𝑤𝑤} diasumsikan untuk sirkulasi minyak alami. Sehingga kenaikan

(24)

15

temperatur pada hot-spot sama dengan temperatur kumparan atas ditambah dengan 1.1 ∆𝜃𝜃_{𝑤𝑤𝑤𝑤}.

Kenaikan temperatur hot-spot dapat dibagi menjadi dua, yaitu a. Sirkulasi Minyak Alami.

Kenaikan temperatur hot-spot = kenaikan temperatur puncak minyak + 1.1 ∆𝜃𝜃_{𝑤𝑤𝑤𝑤}

Diketahui bahwa nilai dari kenaikan puncak minyak adalah 55 ⁰C dan Nilai dari ∆𝜃𝜃_{𝑤𝑤𝑤𝑤} adalah 21 ⁰C.

Sehingga diperoleh [10]:

Kenaikan temperatur hot-spot = 55 ⁰C + 1.1 x 21 ⁰C = 55 ⁰C + 23 ⁰C = 78 ⁰C

b. Sirkulasi Minyak Paksaan

Pada sirkulasi paksaan kenaikan minyak akan lebih kecil daripada sirkulasi minyak alami.Pada kondisi ini, nilai dari kenaikan puncak minyak adalah 40 ⁰C dan kenaikan temperature hot-spot adalah 78 ⁰C.

Kenaikan temperature hot-spot 78 ⁰C diperoleh dengan [9]:

kenaikan puncak minyak adalah 40 ⁰C dan perbedaan temperatur antara hot-spot dengan puncak minyak 38 ⁰C.

sehingga:

Kenaikan temperatur hot-spot = 40 ⁰C + 38 ⁰C

= 78⁰C

(25)

16

2.8 Pengaruh Pembebanan Terhadap Umur Isolasi

Pengaruh pembebanan terhadap umur transformator dapat terjadi karena 2 hal, yaitu pada kondisi beban stabil dan pada kondisi beban berubah-ubah.

2.8.1 Pada Kondisi Beban Stabil

2.8.1.1 Kenaikan Temperatur Top Oil pada Beban Tertentu

Kenaikan temperatur top oil ini sama dengan kenaikan top oil pada besar daya dikalikan dengan perbandingan dari total rugi-rugi dan dipangkatkan dengan x.

Persamaan ini dirumuskan [9]:

∆𝜃𝜃𝑏𝑏 = ∆𝜃𝜃𝑏𝑏𝑏𝑏 �^{1+𝑑𝑑 𝐾𝐾}_1+𝑑𝑑²�^𝑥𝑥……….……….(2.14)

Dimana: ∆𝜃𝜃_𝑏𝑏 = kenaikan temperatur top oil

∆𝜃𝜃𝑏𝑏𝑏𝑏 = temperatur dengan besarnya :

∆𝜃𝜃_{𝑏𝑏𝑏𝑏} = 55 ⁰C untuk ON, dan

∆𝜃𝜃_{𝑏𝑏𝑏𝑏} = 40 ⁰C untuk OF

x = tergantung dari jenis pendingin, besarnya:

x = 0,9 untuk ONAN dan ONAF x = 1,0 untuk OFAF dan OFWF d = perbandingan rugi

= rugi daya pada pengenal rugi beban nol

K = rasio pembebanan, dirumuskan:

= ^𝑆𝑆

𝑆𝑆_𝑏𝑏

2.8.1.2 Kenaikan Temperatur Hot-spot pada Beban Tertentu Kenaikan temperature Hot-spot dapat dirumuskan dengan [9]:

∆𝜃𝜃𝑐𝑐 = ∆𝜃𝜃𝑏𝑏 + (∆𝜃𝜃𝑐𝑐𝑏𝑏 − ∆𝜃𝜃𝑏𝑏𝑏𝑏)𝐾𝐾^2𝑦𝑦………...(2.15) Dengan memasukkan persamaan (2.14) di atas maka akan diperoleh:

(26)

17

∆𝜃𝜃_𝑐𝑐 = ∆𝜃𝜃_{𝑏𝑏𝑏𝑏} �^{1+𝑑𝑑 𝐾𝐾}_1+𝑑𝑑²�^𝑥𝑥 +(∆𝜃𝜃_{𝑐𝑐𝑏𝑏} − ∆𝜃𝜃_{𝑏𝑏𝑏𝑏})𝐾𝐾^2𝑦𝑦………....(2.16) Dimana: ∆𝜃𝜃𝑐𝑐𝑏𝑏= 78 ⁰C

∆𝜃𝜃_{𝑏𝑏𝑏𝑏} = tergantung pada jenis pendingin

∆𝜃𝜃𝑏𝑏𝑏𝑏 = 55 ⁰C untuk ON, dan

∆𝜃𝜃_{𝑏𝑏𝑏𝑏} = 40 ⁰C untuk OF

y = tergantung pada jenis pendingin y = 0,8 untuk ONAN dan ONAF y = 0,9 untuk OFAF dan OFWF

∆𝜃𝜃_𝑐𝑐 = kenaikan temperatur hot-spot K = rasio pembebanan

2.8.2 Pada Kondisi Untuk Beban Berubah-ubah 2.8.2.1 Kenaikan Temperatur Top Oil

Kenaikan temperatur top oil ∆𝜃𝜃𝑏𝑏𝜔𝜔 setelah pemakaian setelah pemakaian selama t mendekati persamaan eksponensial yang dapat dirumuskan [9]:

∆𝜃𝜃𝑏𝑏𝜔𝜔 = ∆𝜃𝜃𝑏𝑏0+ (∆𝜃𝜃𝑏𝑏 − ∆𝜃𝜃𝑏𝑏0)�1 − 𝑒𝑒^{−𝜔𝜔/𝜏𝜏}� ……….(2.17)

Dimana: ∆𝜃𝜃_𝑏𝑏0= kenaikan temperatur awal minyak

∆𝜃𝜃_𝑏𝑏 = kenaikan temperatur akhir minyak yang telah distabilkan sesuai dengan pertimbangan beban

𝜏𝜏= waktu dalam jam, dengan:

𝜏𝜏 = 3 jam untuk ONAN dan ONAF 𝜏𝜏 = 2 jam untuk OFAF dan OFWF

∆𝜃𝜃𝑏𝑏𝜔𝜔= kenaikan temperatur top oil

2.8.2.2 Kenaikan Temperatur Hot-spot

Kenaikan temperature hot-spot pada saat waktu tertentu sebelum distabilkan dapat diperoleh dengan mengasumsikan bahwa kenaikan temperatur hot-spot adalah di atas kenaikan temperatur top oil [9].

(27)

18

Kenaikan temperatur hot-spot pada saat tertentu dapat dirumuskan:

∆𝜃𝜃_𝑐𝑐 = ∆𝜃𝜃_{𝑏𝑏𝜔𝜔} +(∆𝜃𝜃𝑐𝑐𝑏𝑏− ∆𝜃𝜃𝑏𝑏𝑏𝑏)𝐾𝐾^2𝑦𝑦 ………..(2.18)

Dengan memasukkan persamaan (2.17) di atas, maka akan diperoleh persamaan:

∆𝜃𝜃𝑐𝑐 = ∆𝜃𝜃𝑏𝑏0+ (∆𝜃𝜃𝑏𝑏 − ∆𝜃𝜃𝑏𝑏0)�1 − 𝑒𝑒^{−𝜔𝜔/𝜏𝜏}� +(∆𝜃𝜃_{𝑐𝑐𝑏𝑏}− ∆𝜃𝜃_{𝑏𝑏𝑏𝑏})𝐾𝐾^2𝑦𝑦…….(2.19)

Dimana: ∆𝜃𝜃𝑐𝑐 = kenaikan temperatur hot-spot

∆𝜃𝜃_𝑏𝑏0 = kenaikan temperatur awal minyak

∆𝜃𝜃𝑏𝑏= kenaikan temperatur akhir minyak yang telah distabilkan sesuai dengan pertimbangan beban

𝜏𝜏= waktu dalam jam, dengan:

𝜏𝜏 = 3 jam untuk ONAN dan ONAF 𝜏𝜏 = 2 jam untuk OFAF dan OFWF

∆𝜃𝜃_{𝑏𝑏𝜔𝜔} = kenaikan temperatur top oil y = tergantung pada jenis pendingin

y = 0,8 untuk ONAN dan ONAF y = 0,9 untuk OFAF dan OFWF K = rasio pembebanan

2.9 Penentuan Umur Isolasi Transformator.

Umur isolasi transformator dipengaruhi oleh panas yang terjadi dan waktu. Untuk menentukan umur transformator biasanya digunakan persamaan Arrhenius [6]:

𝐷𝐷 = 𝑒𝑒^{𝛼𝛼+𝛽𝛽/𝑇𝑇}………...(2.20)

Dimana: D = umur transformator yang diinginkan 𝛼𝛼 + 𝛽𝛽 = konstanta material

T = suhu absolut dari hotspot

(28)

19

Untuk level temperatur pengoperasian transformator, Montsinger mengusulkan hubungan persamaan yang lebih sederhana, yaitu:

𝐷𝐷 = 𝐾𝐾 𝑒𝑒^{−𝑝𝑝𝑝𝑝}………...(2.21)

Dimana: D = umur transformator yang diinginkan K dan p = konstanta material

v = temperature hot-spot ( ⁰C)

2.10 Umur Pemakaian Relatif

Persamaan Montsinger dapat digunakan untuk menentukan umur pemakaian relatif pada temperatur 𝜃𝜃𝑐𝑐, dibandingkan dengan umur pada saat pemakaian normal 𝜃𝜃_{𝑐𝑐𝑏𝑏}. Dirumuskan [9]:

𝑉𝑉 = penggunaan umur saat θ_c penggunaan umur saat θ_cr

= ₂^(θ^c^−θ^cr^)/6

𝑉𝑉 =𝑒𝑒^0,693(^θ^c^−θ^cr⁾^/6………...…………...(2.22) Dimana: 𝑉𝑉 = umur pemakaian relatif

𝜃𝜃_{𝑐𝑐𝑏𝑏} = 98 ⁰C (nilai ini dari publikasi IEC 76 (1967)

Bila persamaan (2.22) di atas diubah dalam bentuk log₁₀, maka akan diperoleh persamaan:

𝑉𝑉 = 10^(θ^c^−98)/19,93………(2.23)

2.11 Persamaan Diagram Kehilangan Umur dalam Periode 24 Jam

Pengoperasian transformator dapat dibagi dalam dua macam, yaitu saat pengoperasian dengan temperatur konstan dan pengoperasian dengan temperatur berubah-ubah.

(29)

20

2.11.1 Pengoperasian dalam Temperatur Konstan

Umur pemakaian pada pengoperasian temperatur konstan dapat dirumuskan dengan tV.

2.11.2 Pengoperasian dalam Temperatur Berubah-ubah

Umur pemakaian pada pengoperasian temperatur berubah-ubah dapat dirumuskan dengan ∫ 𝑉𝑉𝑑𝑑𝜔𝜔₀^𝜔𝜔 .

2.11.3 Durasi Pengoperasian yang Masih Diijinkan pada 𝜽𝜽𝒄𝒄

Dari persamaan (2.23) diperoleh:

𝜃𝜃𝑐𝑐 = 98 + 19,93 log10𝑉𝑉………(2.24) Umur pemakaian dalam jam:

𝜔𝜔𝑉𝑉 = 𝜔𝜔 x10^(𝜃𝜃^𝑐𝑐^−98)/19.93………...(2.25) Sehingga tV sama dengan 24:

𝜔𝜔 = ²⁴_𝑉𝑉 = 24 x 10^(𝜃𝜃^𝑐𝑐^−98)/19.93………..…………(2.26)

(30)

21 BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu

Penelitian ini akan dilakukan di PT. PLN (PERSERO) GI GIS Listrik Medan, Sumatera Utara. Penelitian ini akan dilakukan pada Transformator Tenaga 3. Penelitian ini direncanakan selama 2 bulan.

3.2 Metode Pengumpulan Data

Metode pengumpulan data untuk penelitian ini dilakukan dengan mengambil data langsung pada PT. PLN (PERSERO) GI GIS Listrik Medan.

Adapun data-data yang dibutuhkan dalam penelitian ini meliputi:

1. Data transformator Yang meliputi:

Daya pengenal Jenis pendingin Tegangan primer Tegangan sekunder Rugi tembaga Rugi beban nol

2. Data pembebanan dari GI GIS Listrik Medan 3. Data temperatur maksimal pada tahun 2016.

Untuk data suhu tahunan dikarenakan pada PT PLN (PERSERO) tidak mencatat secara teratur suhu lingkungan trafo maka data diambil dari

(31)

22

data BMKG Wilayah I Medan selama periode Desember 2015 sampai dengan Nopember 2016. Data yang diambil meliputi suhu udara rata- rata kota Medan dan suhu udara maksimum rata-rata.

3.3 Tahapan Perhitungan

Adapun tahapan perhitungan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Menentukan daya semu pada trafo (S) 2. Menentukan rasio pembebanan (K) 3. Menentukan rugi tembaga Pcu 4. Menentukan perbandingan rugi (d)

5. Menentukan kenaikan temperatur top oil (∆𝜃𝜃_𝑏𝑏) 6. Menentukan kenaikan temperatur hot-spot (∆𝜃𝜃𝑐𝑐) 7. Menentukan laju penuaan thermal relatif (V) 8. Menghitung pengurangan umur (L)

(32)

23

3.4 Flowchart Penyelesaian Perhitungan Susut Umur Isolasi Transformator

(33)

24 BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Masukan

Data yang dibutuhkan untuk dapat melakukan perhitungan meliputi:

1. Data Transformator Transformator 3 phasa

Daya Pengenal : 36 /60 MVA Jenis Pendingin : ONAN /ONAF Tegangan Primer : 150 KV

Tegangan Sekunder : 20 KV Rugi tembaga : 220 KW Rugi beban nol : 38 KW 2. Data Temperatur

Temperatur Rata-rata harian : 27,88 ⁰C Temperatur harian maksimum bulan Nopember 2016 : 31 ⁰C Temperatur harian maksimum rata-rata tahun 2016 : 33,64 ⁰C 3. Data pembebanan

Untuk data pembebanan tanggal 30 Nopember tahun 2016 bisa dilihat pada Tabel 4.1 berikut:

(34)

25

Tabel 4.1 Pembebanan trnasformator tenaga 3 Gardu Induk GIS Listrik Medan Tanggal 30 Nopember 2016.

JAM MW MVAR

01.00 16,2 5,1

02.00 15,5 4,9

03.00 14,8 4,7

04.00 14,5 4,5

05.00 13,8 4,3

06.00 13,0 4,4

07.00 13,9 4,6

08.00 16,4 5,5

09.00 22,5 7,8

10.00 26,5 10,1

11.00 27,4 10,6

12.00 27,3 10,6

13.00 26,5 10,3

14.00 27,9 10,7

15.00 27,8 10,5

16.00 28,0 10,7

17.00 26,8 10,2

17.30 25,5 9,9

18.00 25,3 9,3

18.30 24,7 9,0

19.00 23,6 8,8

19.30 23,4 8,7

20.00 22,0 8,4

20.30 21,6 8,0

21.00 20,7 7,3

21.30 20,0 6,7

22.00 18,4 5,9

23.00 15,4 4,9

24.00 15,3 5,0

4.2. Pengaruh Pembebanan Transformator Dengan Beban Konstan 4.2.1. Perhitungan-perhitungan

Untuk mendapatkan pengaruh dari berbagai pembebanan terhadap transformaator tenaga maka besarnya beban dibuat konstan menjadi seperti pada tabel di bawah ini:

(35)

26

Tabel 4.2 Tabel Variasi Beban No Beban Transformator (%)

1 100

2 90

3 80

1. Perhitungan-Perhitungan untuk beban transformator 100%

Langkah-langkah perhitungan a. Menentukan ratio pembebanan (K)

K = ^𝑆𝑆

Sr

= ^100%

100%

= 1

b. Menentukan Perbandingan Rugi (d)

d = 𝑅𝑅𝐶𝐶𝑅𝑅𝑖𝑖 𝑇𝑇𝑒𝑒𝑚𝑚𝑏𝑏𝑚𝑚𝑅𝑅𝑚𝑚 𝑃𝑃𝑚𝑚𝑑𝑑𝑚𝑚 𝐷𝐷𝑚𝑚𝑦𝑦𝑚𝑚 𝑃𝑃𝑒𝑒𝑃𝑃𝑅𝑅𝑒𝑒𝑃𝑃𝑚𝑚𝑙𝑙 𝑅𝑅𝐶𝐶𝑅𝑅𝑖𝑖 𝐵𝐵𝑒𝑒𝑏𝑏𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑁𝑁𝑤𝑤𝑙𝑙

= ²²⁰

38

= 5,78

c. Menentukan Kenaikan Temperatur Stabil Tap Oil

∆θ_𝑏𝑏 = ∆θ_br �^{1+d K}_1+𝑑𝑑²�^𝑥𝑥

∆θ_𝑏𝑏 = 55 �^{1+5,78 (1)}_1+5,78 ²�^0,9

∆θ_𝑏𝑏 = 55 �^6,78_6,78�^0,9

∆θ_𝑏𝑏 = 55 ⁰C

Sedangkan untuk termperaturnya menggunakan temperatur rata-rata selama periode Desember 2015 sampai Nopember 2016 yang dapat dilihat pada Tabel 4.3 berikut:

(36)

27

Tabel 4.3 Suhu Udara Kota Medan sekitarnya pada periode Desember 2015 sampai Nopember 2016

Sumber Data : Kantor BMKG Wilayah I Keterangan :

Suhu Udara Dalam Derajad Celcius (⁰C)

d. Menentukan Kenaikan Temperatur Top Oil (∆θ_bt )

∆θ_bt = ∆θ_bo + (∆θb− ∆θ_bo) �1 − e^−t/τ�

∆θ_bt = 55 + (55-55) �1 − e^−t/3�

∆θ_bt = 55 ⁰C

e. Menentukan selisih temperatur antara hot spot dengan top oil

∆θ_c = (∆θcr − ∆θ_br) K^2y

∆θ_c = (78 − 55) 1^{2 (0,8)}

∆θ_c = 23 ⁰C

f. Menentukan temperatur hot spot θ_c = θ_a + ∆θ_bt + ∆θ_c

θ_c = 33,64 + 55 + 23 θc = 111,64 ⁰C

g. Menentukan laju penuaan thermal relatif dalam bentuk logaritma V = 10^(θ^c− 98)/19,93

V = 10(111,64−98)/19,93

V = 4,83 pu/jam

Unsur Data 2015 2016

Des Jan Feb Mar Apr Mei Jun Jul Ags Sep Okt Nop

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

1. Suhu Udara

Maks Rata-Rata 32,3 32,8 32,0 34,1 34,7 33,9 34,7 33,9 34,3 34,2 33,2 31,0 2. Suhu Udara

Rata-Rata 27,2 27,7 27,2 28,6 28,7 28,2 28,3 27,8 28,1 27,6 27,3 28,0

(37)

28

Karena bebannya konstan maka besarnya laju penuaan relatif untuk tiap jam perhari sama.

h. Menghitung pengurangan umur

Besarnya susut umur pada transformator saat dibebani 100% karena pengaruh penurunan isolasi belitan saja tanpa memperhitungkan pengaruh yang lain dapat dihitung sebagai berikut:

L = ^h

3T{ ∑ 4 Vodd + ∑ 2Veven} L = ¹

3 x 24 {4 ( 4,83 + 4,83 + 4,83 + 4,83 + 4,83 + 4,83 + 4,83 + 4,83 + 4,83 + 4,83 + 4,83 + 4,83) + 2 (4,83 + 4,83 + 4,83 + 4,83 + 4,83 + 4,83 + 4,83 + 4,83 + 4,83 + 4,83 + 4,83 + 4,83)}

L = 4,83 pu/hari

(38)

29

2. Perhitungan-perhitungan untuk beban transformator 90 % a. Menentukan ratio pembebanan (K)

K = ^𝑆𝑆

Sr

= ^90%

100%

= 0,9

b. Menentukan Perbandingan Rugi (d)

= ²²⁰

38

= 5.78

∆θ_𝑏𝑏 = ∆θ_br �^{1+d K}_1+d²�^𝑥𝑥

∆θ_𝑏𝑏 = 55�1+5,78 (0,9)² 1+5,78 �^0,9

∆θ_𝑏𝑏 = 55 �^4,68_6,78�^0,9

∆θ_𝑏𝑏 = 55 (0,8529)

∆θ_𝑏𝑏 = 46,91 ⁰C

d. Menentukan Kenaikan Temperatur Top Oil (∆θ_bt )

∆θ_bt = ∆θ_bo + (∆θb− ∆θ_b0) �1 − e^−t/τ�

∆θ_bt = 46,91 + (46,91 - 46,91) �1 − e^−t/3�

∆θ_bt = 46,91 ⁰C

∆θ_c = (∆θcr − ∆θ_br) K^2y

∆θ_c = (78 − 55) 0,9^{2 (0,8)}

∆θ_c = 19,43 ⁰C

(39)

30 f. Menentukan temperatur hot spot

θ_c = θ_a + ∆θ_bt + ∆θ_c θ_c = 33,64 +46,91 + 19,43 θc = 99,98 ⁰C

g. Menentukan laju penuaan thermal relatif V = 10^(θ^c− 98)/19,93

V = 10(99,98−98)/19,93

V = 1,25

L = ^h

3T{ ∑ 4 Vodd + ∑ 2Veven} L = ¹

3 x 24{4 ( 1,25 + 1,25 + 1,25 + 1,25 + 1,25 + 1,25 + 1,25 + 1,25 + 1,25 + 1,25 + 1,25 + 1,25) + 2 (1,25 + 1,25 + 1,25 + 1,25 + 1,25 + 1,25 + 1,25 + 1,25 + 1,25 + 1,25 + 1,25 + 1,25)}

L = 1,25

3. Perhitungan-perhitungan untuk beban transformator 80 % a. Menentukan ratio pembebanan (K)

K = ^𝑆𝑆

Sr

= ^80%

100%

= 0,8

(40)

31 b. Menentukan Perbandingan Rugi (d)

= ²²⁰

38

= 5,78

∆θ_𝑏𝑏 = ∆θ_br �^{1+d K}_1+d²�^𝑥𝑥

∆θ_𝑏𝑏 = 55�1+5,78 0,8)² 1+5,78 �^0,9

∆θ_𝑏𝑏 = 55 �^4,70_6,78�^0,8

∆θ_𝑏𝑏 = 55 (0,6930)

∆θ_𝑏𝑏 = 39,53 ⁰C

d. Menentukan Kenaikan Temperatur Top Oil (∆θ_on )

∆θ_bt = ∆θ_b0 + (∆θb− ∆θb0) �1 − e^−t/τ�

∆θ_bt = 39,53 + (39,53 - 39,53) �1 − e^−t/3�

∆θ_bt = 39,53 ⁰C

∆θ_c = (∆θ_cr − ∆θ_br) K^2y

∆θ_c = (78 − 55) 0,8^{2 (0,8)}

∆θ_c = 16,09 ⁰C

f. Menentukan temperatur hot spot θ_c = θ_a + ∆θ_bt + ∆θ_td

θ_c = 33,64 + 39,53 + 16,09 θ_c = 89,27 ⁰C

g. Menentukan laju penuaan thermal relatif V = 10^(θ^c− 98)/19,93

V = 10(89,27−98)/19,93

V = 0,36

(41)

32

L = ^h

3T{ ∑ 4 Vodd + ∑ 2Veven} L = ¹

3 x 24{4 ( 0,36 + 0,36 + 036 + 0,36 + 0,36 + 0,36 + 0,36 + 0,36 + 0,36 + 0,36 + 0,36 + 0,36) + 2 (0,36 + 0,36 + 0,36 + 0,36 + 0,36 + 0,36 + 0,36 + 0 ,36 + 0,36 + 0,36 + 0,36 + 0,36)}

L = 0,36

4.2.2 Pengaruh Suhu Sekitar

Pengaruh suhu terhadap transformator maka beban transformator dibuat menjadi 3 yaitu 100 %, 90 %, dan 80 % sedangkan suhunya diatur dari 20 ⁰C sampai 38 ⁰C. Karena ∆θ_bt dan ∆θ_c dipengaruhi oleh pembebanan, sedangkan pembebanan dibuat konstan maka ∆θ_bt dan ∆θ_c akan konstan juga. Oleh karena itu yang mempengaruhi temperatur hot spot dalam hal ini adalah temperatur ambient. Hasil perhitungannya dapat dilihat pada Tabel 4.4

Untuk setiap kenaikan 1°C maka akan mengakibatkan naiknya temperatur hot spot sebesar 1°C juga, hal ini sesuai dengan rumusnya yaitu:

θc = θ_a + ∆θ_bt + ∆θ_c

(42)

33

Tabel 4.4 Tabel Pengaruh Suhu Ambient

Temperatur sekitar atau ambient menentukan perubahan temperatur hot spot, semakin besar temperatur sekitar maka semakin besar temperatur hot spot begitu pula sebaliknya. Kenaikan temperatur minyak dan suhu sekeliling akan mempengaruhi besarnya temperatur hot spot.

NO Suhu (⁰C)

Susut umur (p.u/hari) Pada pembebanan

100% 90% 80%

1 20 1 0,27 0,08

2 21 1,12 0,30 0,09

3 22 1,25 0,34 0,10

4 23 1,41 0,38 0,11

5 24 1,58 0,42 0,12

6 25 1,78 0,48 0,14

7 26 2 0,54 0,16

8 27 2,24 0,60 0,18

9 28 2,51 0,68 0,20

10 29 2,82 0,76 0,25

11 30 3,17 0,85 0,25

12 31 3,56 0,96 0,28

13 32 4 1,08 0,32

14 33 4,48 1,21 0,36

15 34 5,03 1,36 0,40

16 35 5,65 1,52 0,45

17 36 6,34 1,71 0,51

18 37 7,12 1,92 0,57

19 38 8 2,16 0,65

(43)

34 4.2.3. Menentukan Perkiraan Umur

Transformator yang digunakan pada Gardu Induk GIS Listrik tahun beroprasinya adalah tahun 2014 sehingga umur oprasinya adalah 2 tahun.

Perkiraan sisa umur isolasi transformator karena pembebanan dapat dihitung sebagai berikut. Perhitungan perkiraan umur di bawah ini hanya memperhitungkan pengaruh penurunan isolasi belitan karena pengaruh suhu lingkungan transformator saja tanpa memperhitungkan faktor beban atau pengaruh yang lain. Adapun perhitungannya diperlihatkan sebagai berikut:

Sisa umur pada tahun ke-n = umur dasar - ( n x susut umur ) 2 = umur dasar - ( n x susut umur ) 2 + ( n x susut umur ) = umur dasar

n = umur dasar − 2

susut umur

= ³⁰⁻²

4,83

= 5,79 tahun

Sedangkan untuk pembebanan yang lain seperti pada Tabel 4.4 umurnya juga dapat ditentukan dengan cara yang sama, sehingga didapatkan tabel sebagai berikut:

Tabel 4.5 Susut umur transformator dari berbagai macam pembebanan

NO Beban (%)

Susut umur (pu/hari)

Umur (tahun)

1 100 4,83 5,79

2 90 1,30 22,26

3 80 0,39 76,72

(44)

35

Gambar 4. 1 Grafik Hubungan Antara Nilai Susut Umur Dengan Umur Isolasi Transformator

4.3. Analisa Real Dengan Data Yang Ada 4.3.1. Perhitungan-Perhitungan

Berdasarkan data pembebanan Gardu Induk GIS Listrik Medan tahun 2016 dapat diambil sebagai contoh untuk perhitungan pengaruh pembebanan. Data yang diambil adalah data tanggal 30 Nopember tahun 2016 yaitu pada saat penelitian dimulai dengan pembebanan maksimalnya sekitar 75% dari daya terpasang transformator.

Perhitungan-perhitungan untuk pembebanan tanggal 30 Nopember 2016.

Seperti terlihat pada Tabel 4.1, besarnya daya pengenal dari trafo yang digunakan 36 MVA / 60 MVA ( ONAN / ONAF ). Besarnya beban trafo pada tanggal 30 Nopember 2016 maksimum terjadi pada jam 16:00, yaitu sebesar 28 MW daya aktif dan 10,7 MVAR daya reaktif.

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Susut Umur (%)

Umur Isolasi Transformator (Tahun)

Grafik Hubungan Antara Nilai Susut Umur Dengan Umur Isolasi Transformator

(45)

36 Tahapan perhitungan

1. Menghitung daya semu/total S = �𝑃𝑃²+ 𝑄𝑄²

S = �28²+ 10,7² S = 29,97 MVA

2. Menentukan Load Factor

Perbandingan Pembebanan atau Load Factor nya adalah K = ^𝑆𝑆

𝑆𝑆𝑏𝑏

K =^29,97

36

K = 0,8326 untuk jenis pendingin ONAN

K = ^𝑆𝑆

𝑆𝑆𝑏𝑏

K = ^29,97

60

K = 0,49958 untuk jenis pendingin ONAF 3. Menetukan rugi tembaga

Besarnya rugi beban nol adalah 38 KW dan rugi tembaga untuk daya pengenal 60 MVA adalah 220 KW

Besarnya Arus

Untuk daya pengenal 36 MVA Sr = V1 I1

I1 = ^𝑆𝑆^𝑏𝑏 𝑉𝑉₁ I₁ =^{36𝑀𝑀𝑉𝑉𝑀𝑀}

150𝐾𝐾𝑉𝑉 I₁= 0,24 kA

Untuk daya pengenal 60 MVA S_r = V₁ I₁

I₁= ^𝑆𝑆^𝑏𝑏 𝑉𝑉₁

(46)

37 I₁ =^{60𝑀𝑀𝑉𝑉𝑀𝑀}

150𝐾𝐾𝑉𝑉

I1 = 0,4 kA

Menghitung rugi tembaga PCU = I12

R1 + I22

R2

= I12

R1 + (I1a)² R2

= I12

R1 + I12

a²R2

=I12

(R1 + a² R2)

𝑃𝑃_{𝐶𝐶𝐶𝐶}

𝐼𝐼₁² = (R_{1 +}a²R₂)

450

0,4² = (R1 + a²R2) P_CU = I₁²R_{1 +}I₂²R₂

= I12

R1 + (I1a)² R2

= I12

R1 + I12

a²R2

=I12

(R1 + a² R2)

= I12

(^𝑃𝑃^{𝐶𝐶𝐶𝐶} 𝐼𝐼₁² ⁾

= 0,24² (⁴⁵⁰

0,4²

)

PCU = 162 kW

4. Menentukan perbandingan rugi (d) Untuk daya pengenal 36 MVA

d = 𝑅𝑅𝐶𝐶𝑅𝑅𝑖𝑖 𝜔𝜔𝑒𝑒𝑚𝑚𝑏𝑏𝑚𝑚𝑅𝑅𝑚𝑚 𝑝𝑝𝑚𝑚𝑑𝑑𝑚𝑚 𝑑𝑑𝑚𝑚𝑦𝑦𝑚𝑚 𝑝𝑝𝑒𝑒𝑃𝑃𝑅𝑅𝑒𝑒𝑃𝑃𝑚𝑚𝑙𝑙 𝑅𝑅𝐶𝐶𝑅𝑅𝑖𝑖 𝑏𝑏𝑒𝑒𝑏𝑏𝑚𝑚𝑃𝑃 𝑃𝑃𝑤𝑤𝑙𝑙

d = ¹⁶²

38

d = 4,26

Untuk daya pengenal 60 MVA

d = 𝑅𝑅𝐶𝐶𝑅𝑅𝑖𝑖 𝜔𝜔𝑒𝑒𝑚𝑚𝑏𝑏𝑚𝑚𝑅𝑅𝑚𝑚 𝑝𝑝𝑚𝑚𝑑𝑑𝑚𝑚 𝑑𝑑𝑚𝑚𝑦𝑦𝑚𝑚 𝑝𝑝𝑒𝑒𝑃𝑃𝑅𝑅𝑒𝑒𝑃𝑃𝑚𝑚𝑙𝑙 𝑅𝑅𝐶𝐶𝑅𝑅𝑖𝑖 𝑏𝑏𝑒𝑒𝑏𝑏𝑚𝑚𝑃𝑃 𝑃𝑃𝑤𝑤𝑙𝑙

d = ²²⁰

38

d = 5,78