BAB III Persiapan Laporan

BAB III

TINJAUAN PUSTAKA

3.1 TRANSFORMATOR

Transformator merupakan peralatan listrik yang berfungsi untuk

menyalurkan daya/tenaga dari tegangan tinggi ke tegangan rendah atau

sebaliknya dan dapat mengubah nilai tegangan dari suatu nilai tertentu ke

nilai yang kita inginkan tanpa merubah frekuensi. Dalam pengoperasiannya,

transformator tenaga listrik pada umumnya ditanahkan pada titik netral,

sesuai dengan kebutuhan untuk sistem pengaman atau proteksi.

Transformator menggunakan prinsip hukum induksi faraday dan

hukum lorentz dalam menyalurkan daya, dimana arus bolak balik yang

mengalir mengelilingi 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 potensial (gambar

3.1).

Gambar 3.1. Arus bolak balik mengelillingi inti besi

Secara ummum transformator dapat di bagi menjadi tiga bagian :

a. Lilitan primer, merupakan bagian transformator yang terhubung

dengan rangkaian sumber energi listrik

b. Lilitan sekunder, meripakan bagian transformator yang terhubung

dengan rangkaian beban.

c. Inti besi, merupakan bagian transformator yang bertujuan untuk

mangarahkan keseluruhan fluks magnet yang dihasilkan oleh lilitan

primer agar masuk kelilitan sekunder.

Prinsip kerja trafo adalah Transformator terdiri atas dua buah

kumparan (primer dan sekunder) yang bersifat induktif. Kedua kumparan ini

terpisah secara elektris namun berhubungan secara magnetis melalui jalur

yang memiliki reluktansi (reluctance) rendah. Apabila kumparan primer

dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik maka fluks bolak-balik

akan muncul di dalam inti yang dilaminasi, karena kumparan tersebut

membentuk jaringan tertutup maka mengalirlah arus primer. Akibat adanya

fluks di kumparan primer maka di kumparan primer terjadi induksi (self

induction) dan terjadi pula induksi di kumparan sekunder karena pengaruh

induksi dari kumparan primer atau disebut sebagai induksi bersama

(mutualinduction) yang menyebabkan timbulnya fluks magnet di kumparan

sekunder, maka mengalirlah arus sekunder jika rangkaian sekunder di

bebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara

magnetisasi). (Gambar 3.2) .

Gambar 3.2. Prinsip kerja transformator

3.2 Trafonsformator Daya (step-up)

Transformator daya (step-up) adalah transformator yang memiliki

lilitan sekunder lebih banyak daripada lilitan primer, sehingga berfungsi

sebagai penaik tegangan. Transformator ini biasa ditemui pada pembangkit

tenaga listrik sebagai penaik tegangan yang dihasilkan generator menjadi

tegangan tinggi yang digunakan dalam transmisi jarak jauh.

Gambar 3.3 Lambang transformator step-up (kiri) dan

fisik transformator step-up (kanan)

3.3 Bagian – bagian transformator

Bagian-bagian transformator tenaga terdiri dari 2 bagian yaitu ;

Bagian utama yang terdiri dari :

a) inti besi,

b) kumparan transformator,

c) minyak transformator,

d) bushing,

e) tangki konservator,

Bagian peralatana bantu yang terdiri dari :

a) pendinginan transformator,

b) tap changer

c) alat pernapasan (dehydrating breather),

d) indikator.

e) Neutral Grounding Resistance (NGR)

Gambar 3.4 Komponen-komponen internal transformator

Adapun penjelasan dari bagian-bagin transformator sebagai berikut :

Bagian utama transformator

a. Inti besi

Inti besi berfungsi untuk mempermudah jalan fluksi,magnetik

yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melalui kumparan. Dibuat

dari lempenganlempengan besi tipis yang berisolasi, untuk

mengurangi panas (sebagai rugi-rugi besi) yang ditimbulkan oleh

Eddy Current.

Gambar 3.5 Inti besi

b. 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. Kumparantersebut sebagai alat transformasi tegangan dan

arus.

Gambar 3.6 Konstruksi belitan transformator (kanan) dan gambaran

fisik belitan transformator (kiri)

c. Minyak Transformator

Minyak transformator merupakan salah satu bahan isolasi cair

yang dipergunakan sebagai isolasi dan pendingin pada

transformator. Sebagai bagian dari bahan isolasi, minyak harus

memiliki kemampuan untuk menahan tegangan tembus, sedangkan

sebagai pendingin minyak transformator harus mampu meredam

panas yang ditimbulkan, sehingga dengan kedua kemampuan ini

maka minyak diharapkan akan mampu melindungi transformator

dari gangguan. Minyak yang di gunakan adalah minyak trafo

mineral yang berbahan dasar dari pengelolaan minyak bumi yaitu

antara fraksi minyakdiesel dan turbin yang mempunyai struktur

kimia yang sangat kompleks.

Gambar 3.8 Minyak trafo

d. Bushing

Bushing yaitu sebuah konduktor yang diselubungi oleh

isolator merupakan alat penghubung antara kumparan

transformator dengan jaringan luar. Bushing sekaligus berfungsi

sebagai penyekat/isolator antara konduktor tersebut dengan tangki

transformator.

Gambar 3.9 Bushing

e. Tangki konservator

Pada umumnya bagian-bagian dari trafo yang terendam

minyak trafo berada (ditempatkan) dalam tangki. Untuk

menampung pemuaian minyak trafo, tangki dilengkapi dengan

konservator.

Gambar 3.10 Tangki konservator

Peralatan bantu

a. Tap Changer

Tap Changer adalah Alat bantu utama dari sebuah

transformator yang berfungsi untuk mendapatkan ratio yang efektif

dengan cara mengurangi atau menambah jumlah belitan/winding

primer atau sekunder. Secara umum tap changer bekerja

berdasarkan perbandingan jumlah lilitan dan tegangan pada

kumparan primer dan sekunder.

Proses perubahan ratio belitan ini dapat dilakukan pada saat

trafo sedang berbeban (On load tap changer) atau saat trafo tidak

berbeban (Off load tap changer).

Tap changer terdiri dari :

Selector Switch yaitu merupakan rangkaian mekanis yang terdiri

dari terminal terminal untuk menentukan posisi tap atau ratio

belitan primer.

Diverter Switch yaitu merupakan rangkaian mekanis yang

dirancang untuk melakukan kontak atau melepaskan kontak

dengan kecepatan yang tinggi.

Tahanan transisi yaitu merupakan tahanan sementara yang akan

dilewati arus primer pada saat perubahan tap.

Dikarenakan aktifitas tap changer lebih dinamis dibanding

dengan belitan utama dan inti besi, maka kompartemen antara

belitan utama dengan tap changer dipisah.

Gambar 3.11 Bagian-bagian Tap changer

Keterangan gambar :

1. Tap changer Head and Cover

2. Tap changer Oil compartment

3. Tap selector,diverter switch dan tahanan transmisi

4. Motor drive unit

5. Tap changer protective rele

6. Tap changer oil conservator

b. Alat pernapasan

Akibat pengaruh naik turunnya beban transformator maupun

suhu udara luar, maka suhu minyak akan berubah-ubah mengikuti

keadaan tersebut. Bila suhu minyak tinggi, minyak akan memuai

dan mendesak udara di atas permukaan minyak keluar dari dalam

tangki, sebaliknya apabila suhu turun, minyak menyusut maka

udara luar akan masuk ke dalam tangki.

Untuk mengatasi hal tersebut udara yang masuk ke dalam

tangki konservator pada saat minyak menjadi dingin diperlukan

suatu media pengisap kelembapan yang digunakan biasanya adalah

silicagel. Kebalikan jika trafo panas maka pada saat menyusut

maka akan mengisap udara dari luar masuk ke dalam tangki dan

untuk menghindari terkontaminasi oleh kelembapan udara maka

diperlukan suatu media pengisap kelembapan yang digunakan

biasanya adalah silicagel yang secara khusus dirancang untuk

maksud tersebut di atas. Konstruksi alat pernapasan transformator

dapat dilihat pada gambar 3.12

Gambar 3.12 Konstruksi Alat Pernapasan Transformator

c. Pendinginan Transformator

Pada inti besi dan kumparan-kumparan akan timbul panas

akibat rugi-rugi tembaga. Maka panas tersebut mengakibatkan

kenaikan suhu yang berlebihan, ini akan merusak isolasi, maka

untuk mengurangi kenaikan suhu yang berlebihan tersebut

transformator perlu dilengkapi dengan alat atau sistem pendingin

untuk menyalurkan panas keluar transformator media yang dipakai

pada sistem pendingin dapat berupa: udara/gas, minyak, dan air.

Pada cara alamiah, pengaliran media sebagai akibat adanya

perbedaan suhu media dan untuk mempercepat pendinginan dari

mediamedia (minyak-udara/gas) dengan cara melengkapi

transformator dengan sirip-sirip (radiator). Bila diinginkan

penyaluran panas yang lebih cepat lagi, cara manual dapat

dilengkapi dengan peralatan untuk mempercepat sirkulasi media

pendingin dengan pompa-pompa sirkulasi minyak, udara, dan air,

cara ini disebut pendingin paksa (Forsed). Macam-macam sistem

pendingin transformator dapat dilihat pada table 3.1.

Tabel 3.1 Macam-macam sistem pendingin

d. Neutral Grounding Resistance (NGR)

Neutral Grounding Resistance adalah tahanan yang dipasang

antara titik neutral trafo dengan pentanahan di mana berfungsi

untuk memperkecil arus gangguan yang terjadi sehingga diperlukan

proteksi yang praktis dan tidak terlalu mahal karena karakteristik

relai dipengaruhi oleh sistem pentanahan titik netral.

Neutral Grounding Resistance atau Resistance Pentanahan

Trafo, yaitu resistance yang dipasang pada titik neutral trafo yang

dihubungkan Y (bintang). NGR biasanya dipasang pada titik netral

trafo 70 kV atau 20 kV, sedangkan pada titik neutral trafo 150 kV

dan 500 kV digrounding langsung (solid). NILAI NGR yaitu ;

Tegangan 70 kV 40 ohm, 20 kV 12 ohm, 40 ohm, 200 ohm dan

500 ohm

Ada dua jenis NGR, Liquid dan Solid

1) Liquid berarti resistornya menggunakan larutan air murni yang

ditampung didalam bejana dan ditambahkan garam (NaCl)

untuk mendapatkan nilai resistansi yang diinginkan

2) Solid yaitu NGR jenis padat terbuat dari Stainless Steel,

FeCrAl, Cast Iron, Copper Nickel atau Nichrome yang diatur

sesuai nilai tahanannya.

Gambar 3.13 Neutral Grounding Resistance

e. Indikator

Untuk mengawasi salama transformator beroprasi, maka

perlu adanya indicator pada transformator sebagai berikut :

- Indicator Suhu Minyak

- Indikator Permukaan Minyak

- Indikator Sistem Pendingin

- Indikator Kedudukan Tap

3.4 Peralatan Proteksi Internal

a. Relai Bucholtz

Penggunaan relai deteksi gas (Bucholtz) pada transformator minyak

yaitu untuk mengamankan transformator yang didasarkan pada gangguan

transformator seperti: arcing, partial discharge, over heating yang

umumnya menghasilkan gas. Gas-gas tersebut dikumpulkan pada

ruangan relai dan akan mengerjakan kontak-kontak alarm.

Relai deteksi gas juga terdiri dari suatu peralatan yang tanggap

terhadap ketidaknormalan aliran minyak yang tinggi yang timbul pada

waktu transformator terjadi gangguan serius. Peralatan ini akan

menggerakkan kontak trip yang pada umumnya terhubung dengan

rangkaian trip pemutus arus dari instalasi transformator tersebut. Ada

beberapa jenis relai bucholtz yang terpasang pada transformator.

Relai sejenis tapi digunakan untuk mengamankan ruang On Load

Tap Changer (OLTC) dengan prinsip kerja yang sama sering disebut

dengan Relai Jansen. Terdapat beberapa jenis antara lain sama seperti

relai bucholtz tetapi tidak ada kontrol gas, jenis tekanan ada yang

menggunakan membran/selaput timah yang lentur sehingga bila terjadi

perubahan tekanan karena gangguan akan berkerja, di sini tidak ada

alarm akan tetapi langsung trip dan dengan prinsip yang sama hanya

menggunakan pengaman tekanan atau sakelar tekanan. Gambar

konstruksi Relai Bucholtz seperti gambar 3.14.

Gambar 3.14 konstruksi Relai Bucholtz

b. Jansen Membran

Alat ini berfungsi untuk Pengaman tekanan lebih (Explosive

Membrane)/Bursting Plate yang kontruksinya seperti gambar 3.17 Relai

ini bekerja karena tekanan lebih akibat gangguan di dalam transformator,

karena tekanan melebihi kemampuan membran yang terpasang, maka

membran akan pecah dan minyak akan keluar dari dalam transformator

yang disebabkan oleh tekanan minyak.

Gambar 3.15 konstruksi Jansen Membran

c. Relai Tekanan Lebih (Sudden Pressure Relay)

Suatu flash over atau hubung singkat yang timbul pada suatu

transformator terendam minyak, umumnya akan berkaitan dengan suatu

tekanan lebih di dalam tangki, karena gas yang dibentuk oleh

decomposisi dan evaporasi minyak. Dengan melengkapi sebuah

pelepasan tekanan pada trafo maka tekanan lebih yang membahayakan

tangki trafo dapat dibatasi besarnya. Apabila tekanan lebih ini tidak dapat

dieliminasi dalam waktu beberapa millidetik, tangki trafo akan meledak

dan terjadi panas lebih pada cairan, konsekuensinya pada dasarnya harus

memberikan suatu peralatan pengaman. Peralatan pengaman harus cepat

bekerja mengevakuasi tekanan tersebut. Gambar konstruksi relai tekanan

lebih dapat dilihat pada gambar 3.18.

d. Relai Pengaman Tangki

Relai bekerja sebagai pengaman jika terjadi arus mengalir tangki

akibat gangguan fasa ke tangki atau dari instalasi bantu seperti motor

kipas, sirkulasi dan motor-motor bantu yang lain, pemanas dll. Arus ini

sebagai pengganti relai diferensial sebab sistim relai pengaman tangki

biasanya dipasang pada trafo yang tidak dilengkapi trafo arus di sisi

primer dan biasanya pada trafo dengan kapasitas kecil.

Trafo dipasang di atas isolator sehingga tidak terhubung ke tanah

kemudian dengan menggunakan kabel pentanahan yang dilewatkan

melalui trafo arus dengan tingkat isolasi dan ratio yang kecil kemudian

tersambung pada relai tangki tanah dengan ratio trafo arus antara 300 s/d

500 dengan sisi sekunder hanya 1 Amp.

3.5 Relai Proteksi trafo

Jenis relai proteksi pada trafo tenaga adalah sebagai berikut.

a. Relai Arus Lebih (over current relay)

Relai ini berfungsi untuk mengamankan transformator terhadap

gangguan hubung singkat antar fasa di dalam maupun di luar daerah

pengaman transformator juga diharapkan relai ini mempunyai sifat

komplementer dengan relai beban lebih. Relai ini berfungsi pula

sebagai pengaman cadangan bagi bagian instalasi lainnya.

Prinsip kerjanya sebagai barikut :

Relay ini akan memberikan perintah pada PMT pada saat terjadi

gangguan bila besar arus gangguannya melampaui penyetelannya

(Im), dan jangka waktu kerja relai mulai pik up samapai kerja relai

sangat singakat tanpa penundaan waktu ( 20 – 60 mdet ), liaht

gambar 4.4 relai ini jarang berdiri sendiri tetapi umumnya

dikombinasikan dengan relai lain.

Gambar 3.16 Relay Arus Lebih

b. Relay Voltage Over

Relay ini berfungsi untuk memngamankan taransformator terhadap

gangguan tegangan lebih pada transformator. Berguna untuk mencegah

kerusakan winding trafo atau Generator dari voltage.Jika kenaikan

tegangan diikuti oleh kenaikan frekwensi maka, relay akan kerja

meskipun sebenarnya peralatan tidak mengalami overksitasi.

Prinsip Kerjanya :

Bila tegangan dipasang maka akan timbul arus pada kumparan

utama dan bila mana arus ini melampaui harga tertentu akan

menghasilakan torsi pada piringan akan berputar serta menutup

kontaknya .

Gambar 3.17 Rangkaian pada Voltage Over Relay

Gambar 3.18 Voltage OverRelay

c. Relai Difrensial

Relai ini berfungsi untuk mengamankan transformator terhadap

gangguan hubung singkat yang terjadi di dalam daerah pengaman

transformator

Prinsip kerjanya sebagai berikut :

Jika terjadi gangguan diluar peralatan listrik peralatan listrik yang

diamankan (external fault), maka arus yang mengalir akan

bertambah besar, akan tetapi sirkulasinya akan tetap sama dengan

pada kondisi normal, sehingga relay pengaman tidak akan bekerja

untuk gangguan luar tersebut. Jika gangguan terjadi didalam

(internal fault), maka arah sirkulasi arus disalah satu sisi akan

terbalik, menyebabkan keseimbangan pada kondisi normal

terganggu, akibatnya arus ID akan mengalir melalui relay

pengaman dari terminal 1 menuju ke terminal 2. Selama arus-arus

sekunder transformator arus sama besar, maka tidak akan ada arus

yang mengalir melalui kumparan kerja (operating coil) relay

pengaman, tetapi setiap gangguan (antar fasa atau ke tanah) yang

mengakibatkan sistem keseimbangan terganggu, akan

menyebabkan arus mengalir melalui Operating Coil relay

pengaman, maka rela pengaman akan bekerja dan memberikan

perintah putus (tripping) kepada circuit.

Gambar 3.19 Single line diagram relai differensial dan ref

Gambar 3.20 Relay Diferensial

d. Relai Gangguan Tanah

Relai ini berfungsi untuk mengamankan transformator gangguan

hubung tanah, di dalam dan di luar daerah pengaman transformator.

Relai arah hubung tanah memerlukan operating signal dan polarising

signal. Operating signal diperoleh dari arus residual melalui rangkaian

trafo arus penghantar (Iop = 3Io) sedangkan polarising signal diperoleh

dari tegangan residual. Tegangan residual dapat diperoleh dari

rangkaian sekunder open delta trafo tegangan.

Gambar 3.21 Rangkaian Open Delta Trafo Tegangan

Gambar 3.22 Relai Gangguan Tanah

c. Announciator Sistem Instalasi Tegangan Tinggi

Annunciator adalah indikator kejadian pada saat terjadi ketidak

normalan pada sistem instalasi tegangan tinggi, baik secara individu

maupun secara bersama. Annunciator terjadi bersamaan dengan relai

yang bekerja akibat sesuatu yang terjadi ketidak normalan pada

peralatan tersebut.

Annunciator biasanya berbentuk petunjuk tulisan yang pada

kondisi normal tidak ada penunjukan, bila terjadi ketidak normalan

maka lampu di dalam indikator tersebut menyala sesuai dengan kondisi

sistem pada saat tersebut. Kumpulan indikator-indikator tersebut

biasanya disebut sebagai announciator.

Announciator yang terlengkap pada saat sekarang adalah pada

instalasi gardu induk SF6, sebab pada system GIS banyak sekali kondisi

yang perlu dipantau seperti tekanan gas, kelembapan gas SF6 disetiap

kompartemen, posisi kontak PMT, PMS baik PMS line, PMS Rel

maupun PMS tanah dll. Untuk itu pembahasan tentang annunciator

akan diambil dari sistem annunciatornya gardu induk SF6.

d. Relai Tangki Tanah

Relai ini berfungsi untuk mengamankan transformator terhadap

hubung singkat antara kumparan fasa dengan tangki transformator dan

transformator yang titik netralnya ditanahkan. Relai bekerja sebagai

pengatan jika terjadi arus mengalir dari tangki akibat gangguan fasa ke

tangki atau dari instalasi bantu seperti motor kipas, sirkulasi dan motor-

motor bantu, pemanas dll. Pengaman arus ini sebagai pengganti relai

diferensial sebab sistem relai pengaman tangki biasanya dipasang pada

trafo yang tidak dilengkapi trafo arus di sisi primer dan biasanya pada

trafo dengan kapasitas kecil. Trafo dipasang di atas isolator sehingga

tidak terhubung ke tanah kemudian dengan menggunakan kabel

pentanahan yang dilewatkan melalui trafo arus dengan tingkat isolasi

dan ratio yang kecil kemudian tersambung pada relai tangki tanah

dengan ratio Trafo Arus (CT) antara 300 s/d 500 dengan sisi sekunder

hanya 1 Amp.

Gambar 3.23 Relai Hubung Tanah pada Trafo