Peninjauan Kembali Desain Transformator Untuk Meningkatkan Ketahanan Terhadap Gangguan Penyulang Abstrak: Seringnya transformator mengalami kerusakan akibat gangguan penyulang memerlukan perhatian khusus untuk mengetahui penyebab dan melakukan tindak lanjut agar tidak semakin banyak transformator yang rusak. Dari data statistik kerusakan transformator, diketahui bahwa penyebab kerusakan terbesar adalah karena arus through-fault akibat gangguan hubung singkat yang menimbulkan gaya mekanis/dinamis yang merusak belitan transformator. Oleh karena itu, perlu dilakukan pengetahuan dan penelitian tentang desain transformator agar kerusakan ini dapat dicegah atau dikurangi. Pada tulisan ini, dibahas tentang hal-hal yang perlu diperhatikan pada desain transformator yang terkait dengan hubung singkat seperti aspek termal dan mekanis, belitan tersier, serta impedansi transformator.
I. PENDAHULUAN Keandalan (reliability) sistem menjadi prioritas karena tingginya tingkat kebutuhan listrik pada masyarakat saat ini, hampir setiap kegiatan manusia saat ini membutuhkan tenaga listrik. Keandalan ini terkait dengan ketersedian (availability) energi listrik setiap saat serta kesiapan dan keandalan sistem tenaga listrik. Akan tetapi, selama ini seringkali terjadi penurunan keandalan sistem antara lain disebabkan oleh kerusakan peralatan-peralatan sistem tenaga listrik akibat berbagai hal seperti gangguan hubung singkat yang terjadi di sistem, termasuk kerusakan pada transformator tenaga yang merupakan komponen terpenting dalam suatu sistem transmisi. Dari data laporan kerusakan peralatan PT. PLN (Persero) P3B Jawa-Bali, statistik kerusakan tahun 2000-2010 menunjukkan bahwa kebanyakan kerusakan transformator yang terjadi disebabkan oleh gangguan hubung singkat pada tegangan menengah (20 kV). Tabel 1 : Frekuensi Kerusakan Transformator 150/20 kV dan 70/20 kV Tahun 2000-2010 di Wilayah Jawa-Bali
Kerusakan
Akibat gangguan penyulang
Frekuensi Kerusakan pada Transformator 150/20 kV
Frekuensi Kerusakan pada Transformator 70/20 kV
32
1
Akibat tahanan isolasi menurun (penuaan) dan breakdown isolator Kerusakan OLTC Kerusakan belitan Akibat gangguan internal dan alam (tiang roboh, tangki bocor, sambaran petir, dll) Akibat short circuit di belitan Akibat flash over Belum diketahui penyebabnya Jumlah
10
2
6 12
3 3
4
2
4
1
3
2
4
2
75
16
Keberadaan transformator sangat penting dalam menyalurkan daya dan mengkonversi tegangan, sehingga harus mendapat perhatian agar kerusakan serupa dapat dicegah atau dikurangi. Pencegahan kerusakan ini dapat dilakukan dengan desain dan proses pembuatan transformator yang sesuai dengan keadaan sistem dan kemungkinan besar gangguan hubung singkat yang dapat terjadi pada sistem. Jika transformator telah selesai dibuat dan beroperasi, sulit dilakukan perbaikan pada komponen inti transformator. Oleh karena itu, perlu peninjauan kembali desain transformator agar transformator memiliki ketahanan yang cukup tinggi terhadap gangguan hubung singkat yang dapat terjadi pada sistem, termasuk gangguan penyulang.
III. KETAHANAN TERHADAP HUBUNG SINGKAT Untuk dapat mengurangi kerusakan akibat gangguan hubung singkat, transformator harus didesain memiliki ketahanan terhadap hubung singkat (short-circuit withstand). Ketahanan terhadap hubung singkat ini dapat ditinjau dari dua aspek, yaitu kemampuan termal dan kemampuan dinamis/mekanis [2].
Gambar 1 : Bagian-Bagian Transformator Tenaga [2] II. GANGGUAN PENYULANG Saluran Tegangan Menengah 20 kV, atau sering disebut penyulang atau saluran distribusi, merupakan saluran yang menghubungkan antara sistem tegangan tinggi dengan konsumen. Akibat tinggi saluran distribusi yang dekat dengan ground level serta tingginya aktivitas yang berhubungan dengan saluran ini, probabilitas terjadinya gangguan hubung singkat pada penyulang cukup tinggi.
a. Kemampuan Termal Salah satu bagian terpenting dari transformator adalah belitan/lilitan yang biasanya terbuat dari konduktor tembaga atau aluminium. Saat terjadi hubung singkat, akan timbul stress termal yang cukup besar karena besarnya arus through-fault. Untuk masing-masing konduktor, terdapat batas temperatur dimana konduktor tersebut mulai kehilangan kekuatan selama periode waktu tertentu. Konduktor yang dipilih harus tahan terhadap panas yang dihasilkan saat terjadi hubung singkat. Panas tersebut tidak boleh melampaui batas temperatur konduktor [2]. Proteksi harus didesain bekerja cepat untuk mentanahkan gangguan agar dapat membatasi panas yang timbul akibat hubung singkat. batas ketahanan termal untuk tembaga dan aluminium adalah sebagai berikut: Tabel 2 : Ketahanan Termal Tembaga dan Aluminium [2] Tembaga Aluminium Batas temperatur : 250 C Batas temperatur : 200 C
1 0 Gambar 2 : Gangguan Hubung Singkat di Penyulang [1] Gangguan hubung singkat yang terjadi terdiri dari hubung singkat simetris (hubung singkat tiga fasa) dan hubung singkat asimetris (hubung singkat satu fasa ke tanah, hubung singkat dua fasa ke tanah maupun antar fasa) [2]. Jika terjadi gangguan penyulang pada salah satu fasa atau lebih, akan timbul suatu arus gangguan yang mengalir pada penyulang dari sumber gangguan yang disebut arus through-fault. Jika sistem proteksi tidak berfungsi dengan baik, peralatan-peralatan primer termasuk transformator akan dialiri arus through-fault. Arus ini sering menyebabkan terjadinya kerusakan pada transformator.
2 x ( 0 235) 106000 1 J 2 xt
1 0
2 x ( 0 225) 45700 1 J 2 xt
Gambar 3 : Dampak Ageeing [1]
Saat terjadi gangguan hubung singkat, proteksi yang bekerja cepat dapat membatasi kerusakan/dampak akibat termal, sehingga stress termal mempunyai pengaruh yang kecil terhadap kerusakan transformator akibat hubung singkat. b. Kemampuan Dinamis Saat terjadi gangguan hubung singkat, timbul arus through-fault. Jika tidak segera ditanahkan, arus ini akan mengalir pada belitan transformator. Sesuai dengan hukum Lorentz, jika mengalir arus pada suatu belitan konduktor, akan timbul gaya sesuai dengan “kaidah tangan kanan”. Rumus hukum Lorentz yang dialami oleh suatu muatan q dalam medan magnet B adalah sebagai berikut:
Gambar 5 : Fluks Medan Magnet Saat Kondisi Hubung Singkat [4] LV
HV
Core B
B
F qV x B .................................................................(1)
Jika diterapkan pada suatu penghantar dengan panjang l yang dialiri arus I, hukum Lorentz dapat diturunkan menjadi:
F lI x B ...................................................................(2)
Gambar 6 : Gaya Aksial Akibat Medan Magnet Radial [2] Untuk menghitung gaya aksial yang dialami belitan, perlu mengetahui panjang lintasan efektif (heff) dari
Gambar 4 : Kaidah Tangan Kanan [3] Sesuai hukum Lorentz ini, arus through-fault yang mengalir pada belitan akan menimbulkan gaya yang dialami belitan dengan arah bergantung pada medan magnet B yang mempengaruhinya, yaitu gaya aksial dan radial. Gaya-gaya inilah yang sering menimbulkan kerusakan pada belitan transformator saat terjadi hubung singkat. 1. Gaya Aksial Gaya aksial berasal dari komponen radial medan magnet bocor [2].
flux radial, rata-rata densitas fluks radial Br, dan variabel a yang merupakan panjang bagian yang menyebabkan ketidak-simetrisan dinyatakan sebagai bagian dari panjang total belitan. Bagian ini dapat dianggap sebagai kelompok belitan yang mengalami hubung singkat pada belitan transformator [4].
Gambar 7 : Medan Magnet Radial dan Gaya Aksial [4]
Besar gaya aksial yang dirasakan belitan saat terjadi arus through-fault sebesar i dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut [4]:
2a (ni ) 2 Dm Fa Newton ..........................(3) 10 7 heff Dimana ni merupakan ampere-turns dan Dm merupakan rata-rata diameter belitan. Perangkat penjepit inti dan belitan transformator seperti clamping beam dan tie-road harus didesain memiliki kekuatan cukup besar untuk mengantisipasi pergeseran atau deformasi akibat gaya dinamis hubung singkat ini. [2] 2. Gaya Radial Gaya radial berasal dari komponen aksial medan magnet bocor [2]. HV
Dimana n, i dan h merupakan arus, jumlah belitan dan panjang dari belitan transformator. Sebagai contoh suatu transformator 150/20 kV pada sisi LV memiliki 95 belitan dengan diameter rata-rata belitan 0,8 m dan tinggi 1,3 m. Dengan menggunakan persamaan (4) dapat dihitung gaya radial yang dialami belitan adalah sebagai berikut:
Fr
2 (95.i ) 2 0,8 10 7 1,3
Fr
2 (95.i ) 2 0,8 10 7 1,3
Fr 3,488 x 10 3 i 2 Newton .............................(5) Terlihat gaya radial merupakan fungsi kuadrat dari arus i yang mengalir melalui belitan LV transformator. Misalnya terjadi gangguan hubung singkat di penyulang 20 kV, alat DFR (Digital Fault Recorder) mencatat besar arus through-fault sebesar 1 kA. Dengan persamaan di atas, diperoleh gaya radial yang melewati belitan LV transformator sebesar:
LV Core
Fr 3, 488 x 10 3 i 2 Fr 3, 488 x 10 3 (1.000) 2 Gambar 8 : Irisan Penampang Komponen Inti Trafo [4] Core
LV
HV
Gambar 9 : Gaya Radial Akibat Medan Magnet Aksial [2] Besar gaya radial yang terjadi pada belitan saat terjadi gangguan dengan arus through-fault i dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut [4]:
Fr
Fr 3, 488 x 10 3 3,49 KN
2 (ni ) 2 Dm Newton .............................(4) 10 7 h
Gambar 10 : IBT 500/150 kV GITET Cibatu [1] Gaya radial tersebut terjadi pada belitan LV yang dapat menyebabkan terjadi deformasi belitan taupun pergeseran. Oleh karena itu, belitan transformator harus punya kekuatan menahan gaya tersebut. Kekuatan tarikan atau tekanan pada
konduktor harus lebih besar daripada gaya hubung singkat yang sering terjadi [2]. Kerusakan yang sering dialami transformator akibat hubung singkat seperti kerusakan atau deformasi belitan bukan disebabkan oleh panas pada isolasi, tetapi karena gaya mekanis/dinamis akibat mengalirnya arus through-fault. Saat timbul gaya dinamis sebagai akibat dari gangguan hubung singkat yang terjadi, gaya aksial dan radial menyebabkan deformasi (perubahan bentuk) atau pergeseran pada belitan sekunder (LV) maupun primer (HV). [1] IV. EVALUASI
UMUR TRANSFORMATOR TERKAIT DENGAN GANGGUAN HUBUNG SINGKAT
Gangguan penyulang terutama gangguan hubung singkat dapat menyebabkan terjadinya gaya dinamis pada transformator akibat mengalirnya arus throughfault pada komponen inti dan belitan transformator. Gaya ini dapat menyebabkan deformasi pada belitan, sehingga merusak transformator. Oleh karena itu, setiap gangguan penyulang yang terjadi dapat mengurangi umur transformator atau ketahanan trafo. a. Analisis Dampak Besar Amplitudo Arus Gangguan Hubung Singkat Faktor-faktor gangguan hubung singkat yang mempengaruhi umur transformator adalah: 1. Frekuensi terjadinya gangguan (∑) Semakin sering terjadi gangguan, dapat semakin mengurangi umur transformator 2. Amplitudo atau besarnya arus gangguan (I) Semakin besar amplitudo arus gangguan, semakin mengurangi ketahanan transformator. 3. Durasi gangguan (t) Semakin lama gangguan dirasakan oleh transformator, semakin mengurangi ketahanan transformator. Untuk mengetahui tingkat gangguan yang dialami oleh transformator, terdapat suatu parameter ISQT yang mengakumulasi I2t dari gangguan-gangguan yang terjadi [1].
ISQT ( I 2t ) x SCfault
........................................(6)
Dimana I,t dan ∑SCfault adalah amplitudo arus, durasi, dan frekuensi gangguan yang terjadi. Selain itu, terdapat parameter K yang menunjukkan angka kemampuan tahan normal suatu transformator [1]. 2
K I b t ......................................................................(7) Dimana Ib adalah arus gangguan simetris dalam normal base dan t adalah waktu gangguan yang ditetapkan selama 2 detik [1]. Jika ISQT > 0,7 K, transformator berada dalam parameter warning [1], sehingga harus mendapatkan perhatian dan pemeliharaan yang lebih intens. Dari ketiga faktor diatas, yang paling menentukan umur transformator adalah amplitudo arus dan durasi gangguan yang dialami transformator [1]. b. Kemampuan Menahan Stress Kemampuan menahan stress pada suatu transformator akan menurun secara gradual oleh degradasi yang disebabkan pemanasan berlebih maupun penuaan (ageeing) yang terjadi pada isolasi. Stress yang dirasakan transformator akan terus meningkat seiring dengan penambahan beban dan peningkatan gangguan hubung singkat yang terjadi di sistem maupun sumber [1].
Gambar 11 : Kurva Kemampuan Menahan Stress Dalam Siklus Hidup Transformator [1]
Saat suatu arus through-fault mengalir pada trafo, kemampuan menahan stress transformator akan berkurang cukup besar. Jika gangguan hubung singkat terjadi beberapa kali, suatu saat transformator akan kehilangan kemampuan untuk menahan sress mekanis sehingga mengalami kerusakan.
sekunder, sehigga menjadi dasar metode umum untuk menentukan rating belitan tersier. Kapasitas tersier harus dapat mengatasi arus sirkulasi maksimum yang mungkin terjadi akibat ketidakseimbangan sistem yang terburuk [5]. Oleh karena itu, kapasitas tersier suatu transformator sebaiknya sepertiga dari kapasitas total transformator.
Gambar 13 : Konfigurasi Belitan Transformator Dengan Rasio 1:1:1 [5] Gambar 12 : Kurva Kemampuan Menahan Stress Saat Dialiri Arus Through-Fault [1] V. EVALUASI KAPASITAS TERSIER TRANSFORMATOR Suatu transformator tiga fasa sebaiknya memiliki satu belitan yang berkonfigurasi delta sebagai lintasan berimpedansi rendah untuk aliran arus harmonisa ketiga. Belitan ini juga dapat dialiri arus sirkulasi jika terjadi ketidakseimbangan beban antar fasa, sehingga ketidakseimbangan ini dapat berkurang dan tidak terlalu mengganggu sistem. Seringkali belitan delta tersebut diterapkan pada belitan tersier transformator [5]. Jika titik netral pada suatu belitan berkonfigurasi bintang (Y) tidak ditanahkan, ketiadaan belitan tersier delta dapat menyebabkan titik netral ini berosilasi naik turun pada gelombang tegangan akibat komponen harmonisa ketiga. Karena kegunaannya inilah belitan tersier delta ini juga disebut belitan stabilisasi [5]. Asumsi perbandingan rasio belitan primer, sekunder dan tersier adalah 1:1:1, arus beban pada fasa primer terkait dengan beban satu fasa pada belitan sekunder pada konfigurasi belitan transformator YyD dapat dilihat pada gambar dibawah. Hal ini menyebabkan rating ampere-turns pada belitan tersier sebesar sepertiga dari rating ampere-turns belitan primer dan
Desain belitan tersier harus cukup kuat secara mekanis, mempunyai kapasitas panas yang mencukupi, dan mempunyai impedansi yang sesuai dengan belitan primer maupun sekunder agar dapat menahan efek hubung singkat yang terjadi pada belitan utama serta tidak menyebabkan voltage drop ketika terjadi ketidakseimbangan beban secara berkelanjutan [5]. VI. IMPEDANSI HUBUNG SINGKAT TRANSFORMATOR Impedansi hubung singkat transformator menentukan seberapa besar tingkat hubung singkat yang dapat dialami oleh suatu transformator. Makin besar impedansi, makin kecil tingkat hubung singkatnya. Sebaliknya, makin kecil impedansi, makin besar tingkat hubung singkat yang dapat terjadi. Tabel 3 : Impedansi Hubung Singkat Untuk Transformator (Sumber: IEC 60076-5)
Impedansi juga menentukan voltage drop yang terjadi di transformator. Makin besar impedansi, makin besar
pula voltage dropnya. Makin kecil impedansi, makin kecil pula voltage dropnya. Oleh karena itu, perlu dicari titik optimum antara tingkat hubung singkat dengan voltage drop untuk menentukan impedansi transformator. VII. KESIMPULAN DAN SARAN a. Kesimpulan 1. Kerusakan trafo akibat atau bersamaan dengan gangguan hubung singkat lebih banyak disebabkan oleh gaya mekanis (aspek dinamis) yang terjadi pada belitan trafo. 2. Aspek termal mempunyai pengaruh yang kecil terhadap kerusakan trafo bersamaan dengan hubung singkat.
gaya aksial dan radial akibat arus Through-Fault. Oleh karena itu, setiap pembelian transformator harus dilakukan pertemuan desain review dengan pabrikan. 3. Kapasitas Tersier Transformator Saat ini masih banyak kapasitas tersier transformator yang kurang dari sepertiga kapasitas total transformator. Untuk mencegah kerusakan jika dilewati arus Through-Fault dan mengatasi arus sirkulasi maksimum yang dapat mengalir jika terjadi ketidakseimbangan terburuk, sebaiknya desain kapasitas tersier transformator sepertiga dari kapasitas total.
DAFTAR PUSTAKA b. Saran 1. Tingkat hubung singkat (short circuit available) Penambahan pembangkit dan GI-GI baru pada proyek 10.000 MW akan meningkatkan level hubung singkat pada sistem. Oleh karena itu, saat penyusunan spesifikasi transformator, perlu dihitung dan dianalisis kembali level hubung singkat pada transformator. 2. Frekuensi Gangguan Banyaknya gangguan hubung singkat yang terjadi pada sistem, baik dari sumber maupun penyulang, membutuhkan perhatian khusus terkait dengan kekuatan transformator yang didesain di pabrikan, sehingga perlu analisis kekuatan transformator dan peninjauan kembali gaya-gaya ikat belitan untuk mengatasi
[1]. Wardhani, Ninil U.A. dan Hakim, Yanuar, 2005, Transformer Lifetime Evaluation Based On Short Circuit Faults, PLN Presentation, Bandung. [2]. Widianto, Didik Susilo, Power Transformer Design Aspect, Jakarta. [3]. http://id.wikipedia.org/wiki/Gaya_Lorentz [4]. de Azevedo, A.C., Delaiba, A.C., de Oliveira, J.C., Carvalho, B.C. and Bronzeado, H. De S., 2007, Transformer Mechanical Stress Caused by External Short-Circuit: a Time Domain Approach, International Conference on Power Systems Transients (IPST 07), Lyon, France. [5]. Heathcote, Martin J., 1998, The J&P Transformer Book, Newnes, Great Britain.
