BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Transformator Tenaga
Transformator adalah suatu alat listrik statis yang dipergunakan untuk mengubah tegangan bolak-balik menjadi lebih tinggi atau lebih rendah dan digunakan untuk memindahkan energi dari suatu rangkaian listrik ke rangkaian melalui suatu gandengan magnet berdasarkan prinsip induksi elektromagnet. Transformator disebut peralatan statis karena tidak ada bagian yang bergerak atau berputar, tidak seperti motor atau generator. Dalam bentuknya yang paling sederhana, transformator terdiri atas dua kumparan dan satu induktansi mutual. Dua kumparan tersebut terdiri dari kumparan primer dan kumparan sekunder. Kumparan primer adalah kumparan yang menerima daya dan dinyatakan sebagai terminal masukan dan kumparan sekunder adalah kumparan yang melepas daya dan dinyatakan sebagai terminal keluaran. Kedua kumparan dibelit pada suatu inti yang terdiri atas material magnetik berlaminasi.Secara sederhana transformator dapat dibagi menjadi tiga bagian, yaitu lilitan primer, lilitan sekunder dan inti besi.
Lilitan primer merupakan bagian transformator yang terhubung dengan sumber energi (catu daya). Lilitan sekunder merupakan bagian transformator
yang terhubung dengan rangkaian beban. Sedangkan inti besi merupakan bagian transformator yang bertujuan untuk mengarahkan keseluruhan fluks magnet yang dihasilkan oleh lilitan primer agar masuk ke lilitan sekunder.
2.2 Prinsip Dasar Transformator
Transformator terdiri 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 (fluks magnet) yang dibangkitkan oleh aliran listrik yang mengalir melalui kumparan primer.
Untuk dapat membangkitkan tegangan listrik pada kumparan sekunder, fluks magnet yang dibangkitkan oleh kumparan primer harus berubah-ubah. Untuk mengetahui hal ini, aliran listrik yang mengalir melalui kumparan primer haruslah aliran listrik bolak-balik. Saat kumparan primer dihubungkan ke sumber listrik AC, pada kumparan primer timbul gaya gerak magnet (ggm) bersama yang bolak-balik juga. Dengan adanya ggm ini, di sekitar kumparan primer timbul fluks magnet bersama dan pada ujung-ujung kumparan sekunder timbul gaya gerak listrik (ggl) induksi sekunder yang mungkin sama, lebih tinggi, atau lebih rendah dari gaya gerak listrik primer.
Hal ini tergantung pada transformasi kumparan transformator. Jika kumparan sekunder dihubungkan kebeban, maka pada kumparan sekunder timbul arus bolak-balik sekunder akibat adanya gaya gerak listrik induksi sekunder. Hal ini mengakibatkan timbul gaya gerak magnet pada kumparansekunder dan akibatnya pada beban timbul tegangan sekunder.
Sesuai dengan teori dasar transformator:
“ Apabila ada arus listrik bolak-balik yang mengaliri suatu inti besi maka inti besi itu akan berubah menjadi magnet dan apabila magnet tersebut dikelilingi oleh suatu belitan maka pada kedua ujung belitan tersebut akan terjadi beda tegangan mengelilingi magnet, sehingga akan timbul gaya gerak listrik ( GGL )”.
Gambar 2.1 Konstruksi dasar transformator Keterangan gambar :
U1 : tegangan primer U2: tegangan sekunder I1: arus primer
I2: arus sekunder
ep: GGL induksi pada kumparan primer
es: GGL induksi pada kumparan sekunder
Np: lilitan primer Ns: lilitan sekunder Φb: fluks magnet bersama Z : beban
2.3 Bagian Transformator
2.3.1 Bagian Utama Transformator 1. Inti Besi
Inti besi (electromagnetic circuit) digunakan sebagai media jalannya flux yang timbul akibat induksi arus bolak balik pada kumparan yang mengelilingi inti besi sehingga dapat menginduksi kembali ke kumparan yang lain. Dibentuk dari lempengan–lempengan besi tipis berisolasi yang disusun sedemikian rupa.
Gambar 2.2 Inti Besi Transformator Utama GT2.2
2. Kumparan Transformator
Kumparan transformator adalah beberapa lilitan kawat berisolasi yang membentuk suatu kumparan atau gulungan. Kumparan tersebut terdiri dari kumparan primer dan kumparan sekunder yang diisolasi baik terhadap inti besi maupun terhadap antar kumparan dengan isolasi padat seperti karton, pertinak dan lain-lain. Kumparan tersebut sebagai alat transformasi tegangan dan arus.
Gambar 2.3 Kumparan Transformator Utama
Bessaran arus yang mengalir melalui kumparan pada transformator dapat dihitung dengan rumus :
ILs = √3.𝑉𝐿𝑠 .𝐶𝑜𝑠𝜑𝑃𝑜𝑢𝑡 ... 2.1 Dimana : ILs = Arus line sekunder ( A)
Pout = Daya keluaran transformator ( W )
VLs = Tegangan sekunder ( V )
Cos 𝜑 = Faktor daya
Pin = Pout + Rugi-rugi
Dimana : Pin = Daya masuk (W)
Pout = Daya keluaran (W)
pada transformator terdapat luas penampang yang dapat mempengaruhi nilai dari kerapatan arus. Dimana kerapatan arus dapat dihitung dengan menggunakan rumus persamaan :
𝛿 = 𝐴𝐼 ... 2.2
I = Besarnya arus ( A )
A = Luas penampang ( mm2)
3. Minyak Transformator
Di dalam sebuah transformator terdapat dua komponen yang secara aktif “membangkitkan” energi panas, yaitu besi (inti) dan tembaga (kumparan). Bila energi panas tidak disalurkan melalui suatu sistem pendinginan akan mengakibatkan besi maupun tembaga akan mencapai suhu yang tinggi, yang akan merusak nilai isolasinya. Untuk maksud pendinginan itu, kumparan dan inti dimasukkan ke dalam suatu jenis minyak, yang dinamakan minyak transformator. Minyak itu mempunyai fungsi ganda, yaitu pendinginan dan isolasi. Fungsi isolasi ini mengakibatkan berbagai ukuran dapat diperkecil. Perlu dikemukakan bahwa minyak transformator harus memiliki mutu yang tinggi dan senantiasa berada dalam keadaan bersih. Disebabkan energi panas yang dibangkitkan dari inti maupun kumparan, suhu minyak akan naik. Hal ini akan mengakibatkan terjadinya perubahan-perubahan pada minyak transformator.
4. Bushing
Bushing merupakan komponen penting dari transformator yang berada di bagian luar transformator. Fungsinya sebagai penghubung antara kumparan transformator dengan jaringan di luar transformator. Bushing terdiri dari sebuah konduktor yang terhubung dengan kumparan yang berada di dalam transformator dan konduktor tersebut diselubungi oleh bahan isolator. Bahan isolator berfungsi sebagai media isolasi antara konduktor bushing dengan badan tangki utama transformator. Secara garis besar, bushing terdiri dari empat bagian utama, yaitu konduktor, isolator, klem koneksi, dan aksesoris.
Gambar 2.5 Posisi Bushing pada Trafo Utama GT 2.2
Secara garis besar bushing dapat dibagi empat bagian utama yaitu isolasi, konduktor, klem dan asesoris. Isolasi pada bushing terdiri dari dua jenis yaitu oil impregnated paper dan resin impregnated paper. Pada tipe oil impregnated paper isolasi digunakan adalah kertas isolasi dan minyak isolasi sedangkan pada tipe resin impregnated paper isolasi yang digunakan adalah kertas isolasi dan resin.
Terdapat jenis-jenis konduktor pada bushing yaitu hollow conductor dimana terdapat besi pengikat atau pemegang ditengah lubang konduktor utama, konduktor pejal dan fleksible lead.
Klem koneksi merupakan sarana pengikat antara stud bushing dengan konduktor penghantar diluar bushing. Aksesoris bushing terdiri dari indikasi minyak, seal atau gasket dan tap pengujian. Seal pada bushing terletak dibagian bawah mounting flange.
5. Tangki Konservator
Saat terjadi kenaikan suhu operasi pada transformator, minyak isolasi akan memuai sehingga volumenya bertambah. Sebaliknya saat terjadi penurunan suhu operasi, maka minyak akan menyusut dan volume minyak akan turun. Konservator digunakan untuk menampung minyak pada saat transformator mengalamui kenaikan suhu. Seiring dengan naik turunnya volume minyak dikonservator akibat pemuaian dan penyusutan minyak, volume udara didalam konservator pun akan bertambah dan berkurang.
Penambahan atau pembuangan udara di dalam konservator akan berhubungan dengan udara luar. Agar minyak isolasi transformator tidak terkontaminasi oleh kelembaban dan oksigen dari luar, maka udara yang akan masuk ke dalam konservator akan difilter melalui silica gel. Untuk menghindari agar minyak trafo tidak berhubungan langsung dengan udara luar, maka saat ini konservator dirancang dengan menggunakan brether bag/rubber bag, yaitu sejenis balon karet yang dipasang di dalam tangki konservator.
Gambar 2.7 Posisi konservator Trafo Tenaga GT 2.2
2.3.2 Peralatan Bantu 1. Pendingin
Pendingin pada transformator berfungsi untuk menjaga agar transformator bekerja pada suhu rendah. Pada inti besi dan kumparan-kumparan akan timbul panas akibat rugi-rugi tembaga. Panas tersebut mengakibatkan kenaikan suhu yang berlebihan dan hal ini akan merusak isolasi. Maka untuk mengurangi kenaikan suhu yang berlebihan tersebut transformator perlu dilengkapi dengan sistem pendingin untuk menyalurkan panas keluar transformator. Secara alamiah media pendingin (minyak isolasi) mengalir karena perbedaan suhu tangki minyak dan sirip-sirip transformator (radiator). Untuk
mempercepat pendinginan transformator dilengkapi dengan kipas yang dipasang di radiator transformator dan pompa minyak agar sirkulasi minyak lebih cepat dan pendinginan lebih optimal.
Tabel 2.2 Macam-macam Tipe PendinginanTransformator
keterangan: A = air (udara), O = Oil (minyak), N = Natural (alamiah),
Gambar 2.8 Sistem Heat Transfer pada Trafo Utama GT 2.2
2. Tap Charger
Tap changer merupakan alat penstabil tegangan keluaran pada sisi sekunder transformator daya. Prinsip kerja alat ini adalah dengan mengubah jumlah kumparan primer yang memiliki input tegangan yang berubah-ubah untuk mendapatkan nilai tegangan output yang konstan.
Gambar 2.9 Rasio perubahan Tap Charger pada GT 2.2
3. Alat Pernapasan (Dehydrating Breather)
Perubahan temperatur didalam maupun diluar transformator mengakibatkan perubahan pada temperatur minyak isolasi transformator. Kualitas isolasi minyak transformator akan menurun bila di dalam kandungan minyak tersebut terdapat banyak kandungan gas dan air. Gas-gas dan air tersebut berasal dari kelembaban dan kontaminasi oksigen dari udara luar. Saat level temperatur minyak meningkat, maka transformator akan mendesak udara untuk keluar dari transformator.
Dan sebaliknya, saat level temperatur minyak menurun, maka udara luar akan masuk kembali ke dalam transformator. Untuk mencegah terjadinya kontaminasi minyak transformator terhadap udara luar yang masuk kembali ke transformator, maka sebuah transformator daya dilengkapi dengan alat pernapasan berupa tabung yang berisi zat kristal (silica gel) yang terpasang di
bagian luar transformator. Silikagel yang telah jenuh atau berwarna merah muda dapat di regenerasi kembali dengan cara dipanaskan dalam waktu tertentu.
Gambar 3.10 Silicagel
4. NGR (Neutral Grounding Resistance)
NGR adalah sebuah tahanan yang dipasang serial dengan netral sekunder pada transformator sebelum terhubung ke ground/tanah. Tujuan dipasangnya NGR adalah untuk mengontrol besarnya arus gangguan yang mengalir dari sisi netral ke tanah. Ada dua jenis NGR, yaitu liquid dan solid. Resistor pada liquid menggunakan larutan air murni yang ditampung di dalam bejana dan ditambahkan garam (NaCl) untuk mendapatkan nilai resistansi yang diinginkan. Sedangkan solid terbuat dari stainless steel, FeCrAl, Cast Iron, Copper Nickel atau Nichrome yang diatur sesuai nilai tahanannya.
Gambar 2.12 Bushing tititk netral pada Trafo Utama
5. Indikator-indikator
Indikator transformator terdiri dari:
Indikator suhu minyak
Indikator kedudukan tap
2.4 Minyak Isolasi Transformator
Minyak merupakan suatu sifat bahan yang mampu memisahkan dua penghantar atau lebih yang berdekatan untuk mencegah adanya kebocoran arus / hubung singkat, maupun sebagai pelindung mekanis dari kerusakan yang diakibatkan olek korosif atau stressing. Minyak isolator yang dipergunakan dalam transformator daya mempunyai beberapa tugas utama, yaitu :
1. Media Isolasi 2. Media pendingin
3. Media / alat memadam busur api
4. Perlindungan terhadap korosi atau oksidasi
Minyak isolasi transformator tegangan tinggi terdiri dai bahan isolasi padat, gas dan air. Dimana bahan-bahan isolasi ini memiliki kekuatan dielektrik yang lebih dibandingkan dengan kekuatan dielektrik udara. Minyak isolasi merupakan salah satu yang mempunyai peran penting dalam sistem kelistrikan bidang peralatan teganggan tinggi khususnya sebagai bahan isolasi.
Minyak isolasi terdiri dari beberapa jenis, baik dari segi pembuatan maupun jenis bahannya. Minyak isolasi yang sering digunakan adalah :
- Minyak isolasi mineral - Minyak isolasi sistetis
2.4.1 Minyak Isolasi Mineral
Minyak transformator mineral adalah minyak yang berbahan dasar dari pengolahan minyak bumi yaitu fraksi minyak diesel dan turbin yang mempunyai struktur kimia yang sangat kompleks. Minyak isolasi hasil distilasi ini masih harus dimodifikasi agar tahanan isolasinya tinggi, stabil panasnya baik, serta memenuhi syarat-syarat teknis lainnya. Selain pada transformator daya minyak isolasi bahan mineral ini banyak digunakan pada pemutus tenagan ( CB ) dan kapasitor, dimana selain berfungsi sebagai bahan dielektrik dan sebagai pendingin (penyerap panas).
2.4.2 Minyak Isolasi Sintesis
Minyak isolasi sintesis adalah minyak isolasi yang diolah dari proses kimia yang tepat untuk mendapatkan karakteristik yang baik bila dibandingkan dengan minyak isolasi mineral. Minyak jenis ini memiliki sifat lebih menguntungkan antara lain tidak mudah terbakar dan tidak mudah teroksidasi. Namun beracun dand apat melukai kulit.
Penggunaan minyak isolasi mineral masih mengalami keterbatasan, karena sifatnya yang mudah beroksidasi dengan udara, mengalami pemburukan yang cepat dan sifat kimia yang dapat berubah akibat kenaikan temperatur yang terjadi akibat pemadaman busur api atau saat peralatan beroperasi.
Sifat minyak isolasi sintesis ini bila dibandingkan dengan minyak bahan mineral adalah sebagai berikut :
1. Kekuatan dielektriknya diatas 40 KV 2. Harga lebih murah
3. Berat jenis 1.56 dan jika bercampur dengan air, minyak isolasi sintesis ini berada dibawah permukaan air sehingga mempermudah dalam proses pemisahan dan permurnian kadar air dalam minyak. 4. Untuk kondisi pemakaian yang sama dengan minyak isolasi mineral,
uap lembab akan menyebabkan oksidasi yang lebih pada minyak isolasi sitesis dan penurunan dielektrik yang lebih cepat dibandingkan dengan minyak isolasi mineral. Tetapi karena umumnya panjang dan sifat pendingin lebih baik, maka pada beberapa pemakaian minyak isolasi sintesis banyak digunakan.
2.4.3 Karakteristik yang Harus Diperhatikan pada Minyak Isolasi Transformator
Minyak isolasi harus memiliki beberapa karakteristik tertentu agar dapat menjalankan fungsinya dengan baik. Karakteristik ini harus terus dipantau dan diperhatikan secara terus-menerus. Karakteristik tersebut antara lain :
1. Kejernihan Penampilan ( Appeararance )
Warna minyak yang baik adalah warna yang jernih dan bersih, seperti air murni. Selama transformator dioperasikan, minyak isolator akan melarutkan suspensi / endapan ( sludge ). Semakin banyak endapan yang terlarut, maka warna minyak akan semakin gelap.
2. Viskositas Kinematik ( Kinematic Viscosity )
Viskositas kinematik merupakan tahanan dari cairan untuk mengalir kontinu dan merata tanpa adanya gesekan dan gaya-gaya lain. Sebagai media pendingin, nilai viskositas memegang peranan penting dalam
pendinginan, sebagai faktor penting dalam aliran konveksi untuk memindahkan panas. Makin rendah viskositas, semakin bagus pula konduktivitas thermalnya sehingga makin bagus kualitas dari minyak trafo tersebut.
3. Massa Jenis ( Density )
Masa jenis merupakan perbandingan masa suhu volume cairan pada temperatur 15.56 oC dengan massa air pada volume dan temperatur yang
sama. Massa jenis minyak trafo harus lebih rendah daripada air. 4. Titik Nyala ( Flash Point )
Titik nyala menunjukan bahwa minyak trafo dapat dipanaskan sampai temperatur tertentu sebelum uap yang timbul menjadi api yang berbahaya. Semakin tinggi titik nyala semakin baik
5. Titik Tuang ( Pour Point )
Titik tuang merupakan terendah saat minyak masih akan terus mengalir saat didinginkan pada temperatur dibawah temperatur normal. Minyak isolasi diharapkan memiliki titik tuang yang serendah mungkin.
6. Angka Kenetralan ( Neutralization Number )
Angka kenetralan merupakan angka yang menunjukan penyusutan asam minyak isolasi dan dapat mendeteksi kontaminasi minyak, menunjukan kecenderungan perubahan kimia, cacat atau indikasi perubahan kimia dalam bahan tambahan ( additive ). Angka kenetralan merupakan petunjuk umum untuk mementukan aoakah minyak sudah harus diganti atau harus di olah.
7. Stabilitas / Kemampuan Oksidasi ( Oxydation Stability )
Proses oksidasi menyebabkan bertambahnya kecenderungan minyak untuk membentuk asam dan kotoran zat padat yang nantinya akan membentuk endapan ( sludge ). Asam menyebabkan korosi pada logam peralatan transformator sedangkan kotoran zat pada dapat menyebabkan transfer panas menjadi terganggu. Minyak isolator diharapkan memiliki stabilitas oksidasi yang tinggi dan kemampuan pelarutan yang rendah sehingga meminimalisir persentase terjadinya oksidasi.
8. Kandungan Air ( Water Content )
Adanya air dalam minyak isolasi transformator akan menurunkan tegangan tembus dan tahanan jenis minyak isolator, serta memacu munculnya hot spot sehingga nantinya akan mempercepat kerusakan isolator kertas ( kertas dan kayu ). Sebagai tambahan, pemanasan yang berlebihan pada transformator akan menyebabkan isolasi kertas pada belitan akan membusuk dan menurunkan umur isolator. Membusuknya isolasi kertas juga akan menambah jumlah kadar kandungan air. Pemecahan molekul serat kertas akan melepaskan sejumlah atom hydrogen dan oksigen bebas yang nantinya akan membentuk air ( H20).
Naiknya temperatur lebih lanjut akan menyebabkan air bergerak dari isolasi kertas menuju minyak dan menurunkan tegangan tembus minyak. Minyak isolasi transformator diharapkan memiliki kandungan air serendah mungkin.
9. Tegangan Tembus ( Breakdown Voltage )
Tegangan tembus menunjukan kemampuan untuk menahan electrik stress ( Volt ). Kandaungan air bebas dan partikel-partikel konduktif dapat menaikan tingkat elektrik stress dan menurunkan nilai tegangan tembus. Minyak isolasi transformator diharapkan memiliki nilai tegangan tembus tinggi.
10. Faktor Kebocoran Dielektrik ( Dielectric Dissipation Factor )
DDF merupakan ukuran dari dielektrik losses minyak. Tingginya nilai DDF menunjukan adanya kontaminasi atau hasil kerusakan misalnya air, hasil oksidasi, logam alkalin, kaloid bermuatan, dan sebagainya. DDF berhubungan langsung dengan tahanan jenis, sehingga tingginya nilai DDF secara langsung menunjukan rendahnya tahanan jenis minyak.
11. Tahanan jenis ( Resistivity )
Tahanan jenis yang rendah menunjukan adanya pengotoran yang bersifat konduktif. Suatu cairan dapat digolongkan sebagai isolator cair bila tahanan jenisnya lebih besar dari 109 W-m.
2.4.4 Standart Spesifikasi Minyak Transformator
Minyak isolasi transformator perlu memenuhi beberapa spesifikasi tertentu agar proses isolator dari minyak trafo dapat berjalan optimal. Berikut adalah beberapa spesifikasi minyak menuruut IS (International Standart ) 335-1983 dan IS (Brithish Standart ) 148-1972 :
Tabel 2.3 Spesifikasi Minyak Trafo Menurut IS 335-1983 dan BS 148-1972 No Karakteristik IS 335 – 1983 BS 148 – 1972 1 Density at 27 oC ( max ) 0.89 g/cm2 20oC ( max ) 0.89 g/cm2
2 Kinematic Viscosity 27 oC (max)
27 Cot
20oC ( max )
40 Cot
3 Intrfacial tension 27 oC min
0.07 N/m
4 Flash Point 140 oC 140 oC
5 Pour point Max -90 oC Max -30 oC
6 Neutralization value Max 0.03 mg KOH/gm Max 0.03 mg
KOH/gm
7 Corrosive Sulphar Non Corrosive
8 Electric Strengh (breakdown voltage) (a) As received in drums (b) After filteration Min 30 KV Min 50 KV Min 30 KV 9 Dielectrik dissipation factor ( tan-delta) 90 oC max 0.005 90 oC max 0.005 10 Spesific resistance (resistivity) min (a) at 90 oC Min 30 x 1012 Ὡ cm 500 x 1012 Ὡ cm No set limit
No Karakteristik IS 335 – 1983 BS 148 – 1972 11 Oxidation stability
(a) neutralization
value after axidation (b) total studge after oxidation max Max 0.40 mg KOH/gm Max 0.10 % by weight Max .03 mg KOH/gm 0.10 12 Presence of oxidation inhibitor
The oil shall not contain antioxidation additives - 13 Sulphur Nil 14 Water containt as received in drums As received in bulk
Max 50 ppm by weight Max 50 ppm
Max 35 ppm
Tabel 2.4 Spesifikasi Minyak Trafo Menurut standart IEC 60296-2003
No Parameter Batasan
1 Fungsi
1.1 Viskositas pada 40 OC Max 12 cSt
1.2 Titik tuang Max. -40 OC
1.3 Kadar air Max. 30 mg/kg
1.4 Tegangan tembus : - sebelum treatment - setelah treatment
Min. 30 KV Min. 70 KV
No Parameter Batasan 1.6 Faktor kebocoran dielektrik, tan δ pada 90 OC Max. 0.0005
2. Stabilitas
2.1 Keasaman Max. 0.01 mg KOH /
kg
2.2 Tegangan antar muka Min. 40 dyne/m
2.3 Korosif sulfur Tidak korosif
2.4 Kadar sulfur Tidak disertakan
2.5 Aditif anti oksidan U : tidak terdeteksi
T : max. 0.08 % I : 0.08% - 0.4 %
2.6 Kadar furfuran Max. 0.7 mg/kg
3. Unjuk Kerja 3.1 Ketahanan oksidasi : - Sedimen - Keasaman - DDF at 90OC Max. 0.8 % Max. 1.2 mg KOH/g Max. 0.500
3.2 Gassing tendency Tidak disyaratkan
4. Keamanan
4.1 Titik nyala Min. 135 OC
4.2 PCA Max. 3 %
Tabel 2.5 Spesifikasi Minyak Trafo Menurut standart IEC 60422-2005
No Parameter Metoda
Batasan IEC 60422-2005 Jenis
trafo Baik Cukup Buruk
1 Tegangan tembus ( KV/ 2.5 mm ) IEC 156 O,A 60 50-60 <50 B >50 40-50 <40 C >40 30-40 <30 2 Kadar air terkoreksi pada 20 OC (mg /g) IEC 814 O,A <5 5-10 >10 B <5 5-15 >15 C <10 10-25 >25 3 Keasaman (mgKOH/g) EIC 296 O,A <0.10 0.10-0.15 >0.15 B <0.10 0.15-0.20 >0.2 C <0.15 0.10-0.20 >0.30 4 Faktor kebocoran tg δ 90OC IEC 247 O,A <1.0 0.10-0.2 >2.0 B,C <0.10 0.10-0.20 <0.20 5 Tahanan jenis pada 90OC IEC 247 O,A >10 1-10 <1 B,C >3 0.2-3 <0.2
No Parameter Metoda
Batasan IEC 60422-2005 Jenis
trafo Baik Cukup Buruk
6 Sedimen (% berat) IEC 422 Semua peralatan <0.02 7 Tegangan antar muka (milli N/m) ISO 6295 O,A,B,C >28 22-28 <22 8 Titik nyala (OC) ISO 2719 Semua peralatan Maks penurunan 10%
Catatan 3 (jenis trafo )
O = trafo tenaga > 400 KV ; A = trafo tenaga 170 KV – 400 KV B= trafo tenaga 72.5 KV – 170 KV; C= trafo tenaga <72.5 KV
2.5 Gas Terlarut Pada Minyak Transformator
Bagian diatas telah menjelaskan bahwa minyak trafo merupakan campuran kompleks dari molekul-molekul hidrokarbon, dalam bentuk linier atau sirkir, yang mengandung kelompok molekul CH3, CH2 dan CH yang terkait.
Pemecahan beberapa ikatan antara unsur C-H dan C-C sebagai hasil dari kegagalan thermal ataupun elektris akan menghasilkan fragmen-fragmen ion seperti H*, CH3*, CH2*, CH* atau C*, yang nantinya akan berekombinasi dan
etana (CH3-CH3), etilen (CH2=CH2) ataupun asetilen (CH≡CH). Gas-gas ini
dikenal dengan istilah faulty gas
Gambar 2.13 Struktur kimia minyak isolasi dan gas-gas terlarut pada minyak isolator
Semakin banyak jumlah ikatan karbon (ikatan tunggal, ganda, rangkap tiga ) maka semakin banyak pula energi yang dibutuhkan untuk menghasilkannya.Hydrogen (H2), metana (CH2) dan etana (C2H6) terbentuk oleh
fenomena kegagalan dengan tingkat energi yang rendah, seperti partial discharge atau corona. Etilen (C H4) terbentuk oleh pemanasan minyak pada temperatur
menengah, dan asetilen (C2H2) terbentuk pada temperatur yang sangat tinggi.
Gambar 2.14 menjelaskan jenis faulty gas dan jumlah relatifnya yang terbentuk saat temperaturnya semakin naik. Nilai temperatur tersebut bukanlah nilai yang baku, melainkan hanya pendekatan / aproksimasi. Gas hidrogen dan metana mulai terbentuk pada temperatur sekitar 150 oC. Gas etana mulai terbentuk
pada temperatur sekitar 250oC, dan gas esitilen mulai terbentuk pada temperatur
sekitar 350oC. Gambar 2.14 menjelaskan bahwa setelah melewati titik
maksimalnya maka pembentukan gas metan, etana dan etilen akan terus menurun seiring dengan bertambahnya temperatur.
Gambar 2.14 Pembentukan Skema Gas Temperatur ( Aproksimasi )
Gas asetilen merupakan indikator adanya daerah dengan temperatur paling tidak 700 oC. Pada beberapa kasus kegagalan thermal (hot spot) dengan
temperatur 500 oC ternyata juga memicu pembentukan gas asetilen walaupun
dalam nilai ppm yang kecil. Sejumlah besar asetilen hanya dapat dilihat jika temperaturnya diatas 700 oC yang biasanya disebabkan oleh adanya busur api
(internal arcing). Gas etana dan etilen disebut sebagai “gas logam panas” (hot metal gases).
Biasanya saat ditemukan adanya gas etana dan etilen maka permasalahan yang timbul di dalam transformator umumnya melibatkan logam panas. Hal ini mungkin saja terjadi akibat adanya kontak yang buruk pada tap-charger atau sambunganya yang jelek pada suatu titik pada rangkaian dalam transformator. Fluks magnetis bocor yang mengenai tangki transformator atau struktur magnetis
lainnya dapat memacu terbentuknya ‘gas logam panas”. Penyebab lainnya adalah kerusakan pada pentanahan rangkaian (grounding) sehingga muncul arus lebih yang bersirkulasi karena tidak bisa dibuang ke tanah. Jenis kegagalan lain yang muncul pada sebuah transformator bisa saja merupakan gabungan dar kegagalan thermis dan elektris, ataupun kegagalan yang satu memicu kegagalan yang lain.
Materi isolasi kertas dan kertas biasanya merupakan substansi polimer yang struktur kimianya adalah [C12H14O4(OH)6]n dengan n bernilai antara 300 s.d
750. Umumnya bentuk siklis yang mengandung senyawa CH2, CH dan CO. Ikatan
molekul C-O merupakan ikatan yang lemah,sehingga akan menghasilkan komponen pembentuk faulty gas pada temperatur 100 oC dan karbonisasi
sempurna dari isolasi kertas pada temperatur 300 oC. CO2 terbentuk pada
temperatur rendah, sedangkan CO mulai terbentuk pada temperatur ≥ 200 oC.
Gas-gas lain seperti nitrogen dan oksigen juga muncul pada minyak. Nitrogen muncul akibat sisa N2 pada saat pengiriman transformator ayaupun oleh
selimut nitrogen. Munculnya oksigen pada transformator umumnya diakibatkan oleh kebocoran tangki transformator. Penurunan jumlah oksigen pada minyak umumnya menunjukan kenaikan temperatur yang berlebih pada transformator. Air embun dan gas-gas atmosfer dapat merembes masuk ke dalam saat transformator dimatikan dan temperatur ambien menurun drastis.
Mengidentifikasi seta menganalisis jenis dan jumlah faulty gas pada transformator merupakan hal yang sangat penting, karena jenis faulty gas menunjukan pemicu atau jenis kegagalan yang muncul, sedangkan jumlah/tingkat kosentrasi faulty gas menunjukan seberapa parah tungkat kegagalan tersebut. Hal
ini tentunya dapat menjadi informasi yang sangat berguna dalam penyusunan program perawatan pencegahan (prevebtive maintenance)
2.6 Metode Pengujian DGA ( Dissolved Gas Analyzer ) 2.6.1 Definisi DGA ( Dissolved Gas Analyzer )
DGA secara harfiah dapat diartikan sebagai kondisi transformator yang dilakukan berdasarkan jumlah gas terlarut pada minyak trafo. DGA pada dunia industri dikenal juga sebagai tes darah atau blood test pada transformator. Darah manusia adalah suatu senyawa yang mudah untuk melarutkan zat-zat lain yang berada di sekitarnya. Melalui pengujian zat-zat terlarut pada darah, maka akan diperoleh informasi-informasi terkait tentang kesehatan manusia. Begitu pula dengan transformator, pengujian zat-zat terlarut (biasanya gas) pada minyak trafo (minyak trafo dianalogikan sebagai darah manusia) akan memberikan informasi-informasi terkait akan kesehatan dan kualitas kerja transformator secara keseluruhan.
Uji DGA dilakukan pada suatu sampel minyak diambil dari unit transformator, kemudian gas-gas terlarut (dissolved gas) tersebut diekstrak. Gas yang telah diekstrak lalu dipisahkan, didefinisikan komponen-komponen individualnyadan dihitung kualitasnya (dalam satuan Part Per Million – ppm). Keuntungan utama uji DGA adalah deteksi dini akan adanya fenomena kegagalan yang ada pada transformator yang diujikan. Namun kelemahan utamanya adalah diperlukan tingkat kemurnian yang tinggi dari sampel minyak yang diujikan. Rata-rata alat uji DGA memiliki sensitivitas yang tinggi, sehingga ketidak murnian sampel akan menurunkan tingkat akurasi dari hasi uji DGA.
Tabel 2.6 menunjukan bahwa gas terlarut pada minyak trafo dapat bereaksi dengan sinar matahari, sehingga menyebabkan jumlahnya cenderung bertambah. Hampir setiap jenis faulty gas, termasuk kadar air mengalami penambahan jumlah yang seknifikan kecuali gas etilen (C2H4) dan esetilen (C2H2).
Untuk membentuk etilen dan esetilen dibutuhkan energi dan temperatur yang lebih tinggi, karena etilen memiliki ikatan karbon ganda (double bond) dan asetilen memiliki ikatan karbon rangkap tiga (triple bond). Percepatan bertambahnya jumlah gas terlarut ini sebanding dengan lamanya sampel minyak bereaksi dengan sinar matahari. Hal ini tentunya dapat mengacaukan data hasil pengujian dan menyebabkan salah analisa terhadap data tersebut.
Tabel 2.6 Laju Pertambahan Fault Gas Terlrut terhadap Sinar Matahari
H2 ppm H2O ppm CO2 ppm CO ppm C2H4 ppm C2H6 Ppm CH4 Ppm C2H2 ppm Degassed oil <1 5 27 2 1 4 2 <1 Degassed + sun 1 hour 9 14 555 176 4 12 14 <1 Degassed + sun 2 hour 13 13 639 209 4 22 20 <1 Degassed + sun 3 hour 24 20 831 318 8 58 34 <1 Degassed + sun 3 hour + cooled 21 20 864 313 7 51 38 <1
Pengujian DGA adalah salah satu langkah perawatan preventif (preventif
maintenance) yang wajib dilakukan dengan interval pengujian paling tidak 2 kali
dalam satu tahun.
2.6.2 Metode Ekstraksi Gas
Dua metode pada pengujian DGA yang digunakan untuk mengekstrak
fault gas yang terlarut pada minyak trafo, yaitu metode Gas Chromatograph
(GC) dan metode Photo-Acoustic Spectroscopy (PAS). 2.6.2.1 Gas Chromatograph (GC)
Gas Chromotograph adalah sebuah teknik untuk memisahkan zat-zat tertentu dari sebuah senyawa gabungan, biasanya zat-zat tersebut dipisahkan berdasarkan tingkat penguapannya, biasanya zat-zat tersebut dipisahkan berdasarkan tingkat penguapan (volatility). Metode ini dapat memberikan informasi kuatitatif dan kualitatif dari amsing-masing komponen individual pada sampel yang diuji. Sampel yang diuji bisa saja sudah berbentuk gas ataupun dipanaskan dan diuapkan terlebih dahulu sampai berwujud gas.
Metode ini menggunakan beberapa komponen, yaitu tabung sempit yang dikenal sebagai “kolom” (columm), over / elemen pemanas, gas pembawa (carrier gas), dan detektor gas. Gas pembawa yang digunakan biasanya
Merupakan jenis gas yang lembut, seperti nitrogen atau argon. Berkut adalah diagram proses kerja GC :
Gambar 2.15 Diagram kerja Gas Chromatograph
Sampel uji dimasukan ke saluran kolom dengan menggunakan
microsyringe. Gas pembawa akan menghantarkan molekul-molekul fault gas di
dalam columm. Gerakan molekul-molekul ini akan terhalang oleh tingkat adsobsi dari masing jenis fault gas terhadap dinding columm. Karena masing-masing fault gas memiliki tingkat adsorbsi yang berbeda-beda, maka tingkat keadaan statis (stationary phase) masing-masing fault gas juga berbeda-beda. Selama proses ini, setiap bagian dari sampel uji akan terpisah-pisah, sehingga akan mencapaiujung saluran columm dalam kurun waktu yang berbeda-beda. Lalu setiap bagian dari sampel uji yang mencapai ujung dari columm akan dideteksi oleh detektor.
2.6.2.2 Photo-Acoustic Spectroscopy (PAS )
Masing-masing jenis fault gas (hydrogen, metana, oksigen dan lain-lain) pada dasarnya memiliki kemampuan penyerapan radiasi elektromagnetik yang unik dan khas. Kemampuan penyerapan yang unik ini biasanya diaplikasikan pada teknik spektoskopi inframerah untuk menghasilkan efek foto-akustik. Penyerapan
Peningkatan temperatur ini berbanding lurus peningkatan tekanan dari gas (dengan kondisi gas berada pada waktu tertutup). Dengan menggetarkan sumber radiasi, tekanan dari gas pada waktu wadah tertutup ini akan berfluktuasi secara sinkron sehingga amplitudo dari resultan gelombang tekanan dapat dideteksi menggunakan mikrofon yang sensitif.
Dua faktor utama yang menyebabkan efek foto akustik dapat digunakan untuk pengukuran analisis :
1. Setiap gas memiliki spektrum penyerapan yang unik dan khas sehingga frekuensi dari sumber infra merah dapat disesuaikan untuk memperoleh karakteristik yang diinginkan dari sampel.
2. Tingkat penyerapan radiasi inframerah secara langsung sebanding dengan tingkat kosentrasi dari gas sampel.
Memilih panjang gelombang yang tepat serta mengukur tingkat resultan sinyal yang dihasilkan oleh reaksi gas terhadap radiasi sinar inframerah akan memungkinkan untuk mendeteksi kehadiran dan tingkat kosentrasi dari masing-masing jenis gas. Kedua hal ini merupakan prinsip dasar dari photo-acoustic
Gambar 2.16 Ilustrasi konsep Photo-Acoustic Spectrometer
Proses pengukuran dengan modul PAS dimulai dengan sumber radiasi yang menciptakan radiasi gelombang elektromagnetik sinar inframerah. Radiasi tersebut dipantulkan pada cermin parabolik lalu menuju piringan pemotorng (chopper) yang berputar dengan kecepatan konstan dan menghasilkan efek stroboskopik terhadap sumber cahaya. Radiasi ini diteruskan melalui filter optik, yaitu filter yang secara selektif dapat meneruskan sinar dengan karakteristik tertentu (biasanya panjang gelombang tertentu) dan memblok sinar-sinar lain yang karakteristknya tidak diinginkan. Sinar yang sudah di filter ini lalu dimasukan ke ruang penguji (analysis chamber) dan bereaksi dengan senyawa gas-gas yang telah diekstrak dari minyak. Selanjutnya mikrofon-mikrofon yang sensitif akan mendeteksi jumlah / kosentrasi dari masing-masing jenis gas. Proses ini terus
Sampel minyak yang digunakan untuk pengujian dapat diambilsecara langsung dari transformator dan dimasukan ke botol sampel. Minyak diaduk menggunakan magnet berlapis teflon yang dimasukan ke dalam botol sampel untuk membuat gas-gas yang terlarut dalam minyak naik ke permukaan minyak. Gas-gas in akan terus naik ke bagian headspace botol sampel dan bergerak melewati saluran tertentu dan diteruskan ke modul PAS
2.7 Jenis Kegagalan yang dapat dideteksi dengan uji DGA
Dari beberapa kasus kegagalan (fault) yang terjadi pada transformator dan terdeteksi melalui uji DGA, maka kegagalan pada transformator dapat digolongkan menjadi beberapa kelas :
Tabel 2.7 Laju Kegagalan (fault) yang Terdeteksi dengan Uji DGA
Simbol Kegagalan Contoh
PD Partial
Discharge Pelepasan muatan (discharge) dari plasma dingin (corona) pada gelembung gas (menyebabkan
pengendapan X-wax pada isolasi kertas) ataupun tupe percikan (menyebabkan proses perforasi / kebolongan pada kertas yang bisa saja sulit untuk dideteksi).
D1 Discharge of
Low Energy PD tipe percikan / spark (menyebabkan perforasi karbon pada isolasi kertas dalam skala yang lebih besar.
Arcing pada energi rendah memacu perforasi karbon pada permukaan isolasi kertas sehingga muncul banyak partikel karbon pada minyak (terutama akibat pengoperasian tap-changer)
D2 Discharge of
High Energy Discharge yang mengakibatkan kerusakan dan karbonasi yang meluas pada kertas minyak. Pada
kasus yang lebih ekstrim terjadi penggabungan metal (metal fusion), pemutusan (tripping) peralatan dan pengaktifan alarm gas.
T1 Thermal fault,
T<300 OC Isolasi kertas berubah warna menjadi coklat pada temperatur ≥ 200 OC (T1) dan pada temperatur > 300 OC terjadi karbonasi kertas munculnya formasi
partikel karbon pada minyak (T2)
T2 Theramal fault,
Simbol Kegagalan Contoh
T3 Thermal fault,
T>700 OC Munculnya formasi partikel karbon pada minyak secara meluas, perwarnaan pada metal (200 OC )
ataupun penggabungan metal ( > 1000 OC )
