STUDI PENGARUH PEMBEBANAN TERHADAP SUSUT UMUR TRANSFORMATOR DAYA (APLIKASI PADA GARDU INDUK PEMATANGSIANTAR) Junedy Pandapotan, Eddy Warman Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail:
[email protected],
[email protected]
Abstrak Susut umur transformator 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 daya terendam minyak tersebut. Pada tugas akhir ini meneliti pengaruh pembebanan tranformator tenaga terhadap susut umur, pengaruh suhu lingkungan terhadap susut umur trafo, dan menganalisi susut umur trafo daya di gardu induk Pematangsiantar dengan mengacu pada pada standar IEC 354 tahun 1972. Susut umur transformator daya di gardu induk Pematangsiantar pada pembebanan 100% sebesar 3,6 p.u/hari, pada pembebanan 90% sebesar 0.96 p.u/hari, sedangkan pada pembebanan 80% sebesar 0,29 p.u/hari . Pengaruh suhu sekitar kota Pematangsiantar yang berubah dari 20 0C sampai 32 0C mengakibatkan susut umur pada pembebanan 100% berada pada cakupan 1 p.u/hari sampai 3,98 p.u/hari, pada pembebanan 90% berada pada cakupan 0,26 p.u/hari sampai 1,04 p.u/hari sedangkan pada pembebanan 80% berada pada cakupan 0,08 p.u/hari sampai 0,31 p.u/hari.
Kata Kunci: transformator daya, susut umur pembebanan transformator daya terhadap umur trafo, kualitas minyak transformator tidak dibahas dan susut umur dilihat dari isolasi kumparan transformator saja.
1. Pendahuluan Tak dapat dipungkiri bahwa peranan listrik sangat penting di dalam kehidupan masyarakat sehari-hari, untuk itu penyaluran energi listrik yang handal sangat diperlukan untuk mensuplai beban-beban yang ada. Transformator daya merupakan peralatan yang vital dalam penyaluran energi listrik.Ada banyak faktor yang dapat mempengaruhi terjadinya pengurangan umur transformator antara lain pengaruh dari suhu sekitar ( ambient temperatur ),suhu minyak transformator , pola pembebanan, kualitas bahan transformator, kualitas minyak, cuaca, kadar oksigen, kelembapan udara dan pengelolaaan terhadap transformator tersebut. Jurnal ini dapat digunakan untuk menganalisis pengaruh pembebanan terhadap susut umur transformator daya, mengetahui pengaruh suhu sekitar terhadap susut umur transformator daya. Adapun ruang lingkup dari penulisan jurnal ini meliputi transformator daya yang menggunakan pendingin minyak, hanya mengalisis pengaruh suhu sekitar dan perubahan
2. Transformator Transformator adalah suatu peralatan listrik elektromagnetik statis yang berfungsi unuk memindahkan dan mengubah daya listrik dari suatu rangkaian lsitrik ke rangkaian listrik yang lain, dengan frekuensi yang sama dan perbandingan transformasi tertentu melalui suatu gandengan magnet dan bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik, dimana perbandingan tegangan antara sisi primer dan sekunder berbanding lurus dengan perbandingan jumlah lilitan dan berbanding terbalik dengan perbandingan arusnya [1]. Pada dasarnya transformator terdiri dari kumparan primer dan sekunder yang dibelitkan pada inti ferromagnetik. Berdasarkan letak kumparan terhadap inti , transformator terdiri dari dua macam konstruksi, yaitu tipe inti dan tipe cangkang [2].
-29-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 3 NO. 1/Juli 2013
Transformator terdiri atas dua buah kumparan ( primer dan sekunder ). Apabila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik maka fluks bolak-balik akan muncul di dalam inti, karena kumparan tersebut membentuk jaringan tertutup maka mengalirlah arus primer. Akibat adanya fluks di kumparan primer terjadi pula induksi di kumparan sekunder karena pengaruh induksi dari kumparan primer, maka mengalirlah arus sekunder jika rangkaian sekunder dibebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetisasi) [3].
e= - N
Ф
(Volt)
d) Kenaikan temperatur rata-rata dari tembaga pada setiap posisi di atas kumparan meningkat secara linear sejalan kenaikkan temperatur minyak yang mempunyai selisih antara dua garis lurus (∆ kostan ∆ adalah selisih antara kenaikan temperatur rata-rata tahanan dan kenaikkan temperatur rata -rata minyak ). e) Kenaikan temperatur rata-rata puncak kumparan adalah kenaikan temperatur rata. rata minyak ditambah ∆ f) Kenaikan temperatur hot spot adalah lebih tinggi dibanding kenaikan temperatur ratarata puncak kumparan. Untuk menghitung perbedaan antara kedua kenaikan temperatur diasumsikan 0,1 untuk ini, nilai ∆ sirkulasi minyak secara alami. Sehingga kenaikan temperatur hot spot adalah sepadan dengan kenaikan temperatur top oil ditambah 1,1 ∆ .
(1)
Dimana: e = Gaya gerak listrik (Volt) N = Jumlah lilitan Ф = Perubahan fluks magnetik (Weber/detik)
3. Pengaruh Pembebanan dan Suhu pada Tranformator Daya Akibat utama dari penuaan adalah menurunnya kekuatan mekanis dan elektris dari isolasi belitan transformator. Efek suhu, air dan oksigen adalah faktor penting dalam penuaan kerats isolasi dan minyak[4]. Kenaikkan temperatur dapat diasumsikan dengan diagram thermal sederhana, seperti ditunjukkan Gambar 1. Gambar ini dapat dipahami karena merupakan diagram penyederhanaan dari distribusi yang lebih rumit. Kenaikkan temperatur top oil yang diukur selama pengujian kenaikkan temperatur, berbeda dengan minyak yang meninggalkan kumparan, minyak pada top oil adalah campuran sebagian dari minyak yang bersirkukasi pada sepanjang kumparan. Metode ini disederhanakan sebagai asumsi yang telah dibuat sebagai berikut: a) Temperatur minyak bertambah secara linear sesuai kumparan. b) Kenaikan temperatur rata-rata minyak adalah sama untuk semua kumparan dari kolom yang sama. c) Perbedaan temperatur antara minyak pada puncak kumparan (asumsinya sepadan dengan yang di puncak) dan minyak yang berada di dasar kumparan (asumsinya sepadan dengan yang di pendingin) adalah sama untuk semua bagian kumparan.
Gambar 1 Diagram Thermal [5] Pengaruh pembebanan dan suhu pada transformator daya terdapat pada berbagai kondisi yaitu kondisi dengan nilai daya tertentu, kondisi dengan beban stabil, dan kondisi dengan beban yang berubah-ubah. Dimana kondisi dengan nilai daya tertentu terdiri dari : a. Sirkulasi minyak alami Kenaikkan temperatur rata-rata kumparan (diukur dengan tahanan) = 65 0C Kenaikkan temperatur top oil ( ∆ ) = 55 0C Kenaikkan temperatur rata-rata minyak = 44 0C Perbedaan antara kenaikkan temperatur rata-rata kumparan dan kenaikkan rata-rata temperatur minyak ∆ = 21 0C Kenaikkan temperatur hot spot (∆ ) disusun sebagai berikut Δθcr
-30-
= Δθb + 1,1 Δθwo = 55 + 23 = 78 0C
(2)
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 3 NO. 1/Juli 2013 Untuk Δθbr = 55 0C untuk ON, dan Δθbr = 40 0C untuk OF
b. Sirkulasi minyak paksaan Kenaikkan temperatur hot spot (Δθcr) disusun sebagai berikut: Δθcr = Δθb + (θcr - θb) (3) = 40 + 38 = 78 0C
Sedangkan kondisi dengan beban yang berubah – ubah terdiri dari : a. Kenaikkan temperatur top oil Kenaikkan temperatur top oil Δθon pada waktu t setelah pemberian beban adalah sangat mendekati untuk kenaikkan eksponensial sebagai berikut:
Untuk kondisi dengan beban stabil terdiri dari : a. Kenaikan temperatur top oil Kenaikkan temperatur ini sepadan dengan kenaikkan temperatur top oil pada nilai daya yang dikalikan ratio dari total kerugian dengan eksponen x: Δθb = Δθbr Keterangan :
Δθon = Δθo(n-1) + (Δθb - Δθo(n-1) ) (1 – e –t/r)
(6)
dengan
(4)
Δθo(n-1) adalah kenaikkan temperatur awal minyak. Δθb adalah kenaikkan temperatur akhir minyak yang telah distabilkan, berhubungan dengan beban seperti dihitung dalam sub bab sebelumnya. τ = kontanta waktu minyak dalam jam τ = 3 (ONAN dan ONAF) τ = 2 (OFAF dan OFWF) t = waktu dalam jam
d=5 x = kontanta x = 0,9 (ONAN dan ONAF)* x = 1,0 (OFAF dan OFWF) Δθbr = suhu Untuk Δθbr = 55 0C untuk ON, dan Δθbr = 40 0C untuk OF *spesifikasi dalam sub bab 41.7.1 publikasi IEC 76 (1967), karena mengikuti tabel tunggal yang diatur untuk digunakan pada kedua jenis pendinginan dengan kesalahan yang tidak lebih dari ±2 %.
b. Kenaikkan temperatur hot spot Kenaikkan temperatur hot spot pada waktu tertentu sebelum kondisi distabilkan adalah mendekati perkiraan dengan asumsi bahwa kenaikkan temperatur hot spot di atas adalah kenaikkan temperatur top oil yang terbentuk dengan seketika. Kenaikkan temperatur hot spot pada waktu tertentu sama dengan:
Nilai d secara relatif tidak penting pada beban tinggi, hanya memberikan secara garis besar tinggi atau rendahnya kenaikkan temperatur dalam prakteknya. Lebih dari itu ini dikompensasi untuk seberapa besar korespondensinya dengan naik atau turunnya temperatur minyak pada beban rendah.
Δθc = Δθbr
+ (Δθcr – Δθbr) K2y
(7)
Dalam menentukan nilai relatif dari umur pemakaian sebuah transformator daya dapat menggunakan hubungan Montsinger. Hubungan Montsinger sekarang telah digunakan untuk memperoleh nilai relatif dari umur pemakaian pada temperatur θc,dibanding dengan nilai nornal dari umur pemakaian pada temperatur θcr .
b. Kenaikan temperatur hot spot Kenaikkan temperatur hot spot Δθc untuk beban yang stabil dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut: Δθc = Δθbr + (Δθcr – Δθbr ) K2y (5) Keterangan : Δθcr = 78 0C y = kontanta y = 0,8 (ONAN dan ONAF) y = 0,9 (OFAF dan OFWF) Δθbr = suhu
X = 10 ( θc – θcr ) / 19.,93 (8) dengan: X = nilai relatif dari umur pemakaian θcr = 98 0C menurut publikasi IEC 76 (1967).
-31-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 3 NO. 1/Juli 2013 Perhitungan – perhitungan transformator 80% Menentukan rasio pembebanan K=
4. Data dan Analisis Untuk dapat melakukan perhitungan maka diperlukan sejumlah data masukan, yaitu :
%
∆θ = ∆θ
( ,
∆θ = 55 ,
)
,
,
∆θ = 55 ∆θ = 39,9 0C Menentukan kenaikan temperatur top oil ∆θ = ∆θ ( ) + ∆θ − ∆θ ( ) 1 − e /τ ∆θ = 39,98 + (39,38 − 39,38) (0,2835) ∆θ = 39,9 0C Menentukan selisih temperatur antara hot spot dengan top oil ∆θ = (∆θ − ∆θ ) K ∆θ = (78 − 55) 0,8 ( , ) ∆θ = 16,09 0C Menentukan temperatur hot spot θ = θ + ∆θ + ∆θ θ = 31,2 + 39,9 + 16,09 θ = 87,19 0C Menentukan laju penuaan thermal relatif X = 10(θ )/ , )/ , X = 10( , , X = 10 X = 0,29
Tabel 1 Pembebanan Gardu Induk Pematangsiantar tanggal 20 Juni 2012 [6]
01.00 02.00 03.00 04.00 05.00 06.00 07.00 08.00 09.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 24.00
beban
K= % K = 0,8 Menentukan kenaikan temperatur stabil top oil
A. Data transformator Merk : XIAN Tahun operasi : 2000 Daya pengenal : 36/60 MVA Jenis pendingin : ONAN/ONAF Tegangan primer : 150 KV Tegangan sekunder : 20 KV B. Data temperatur Temperatur rata – rata harian : 27,1 0C Temperatur harian maksimum bulan Juni 2012 : 32,03 0C Temperatur harian maksimum Juli 2011 – Juni 2012 : 31,2 0C C. Data pembebanan Untuk data pembebanan tanggal 20 Juni 2012 dapat dilihat pada Tabel 1 berikut ini :
Jam
untuk
Gardu Induk Pematangsiantar MW MVAR 20 5,2 19 5 13 5,8 19 5,8 21 5,4 30 6,9 29 6,6 25 6,7 23 6,4 5,4 1,3 18 5 18 5,6 18,7 5,6 18,7 5,6 182 5,7 7,9 1,9 27 9,1 33 9,2 40 10 38 9,6 37 9,5 34 9,2 27 7,6 27 7,3
Karena bebannya konstan maka besarnya laju penuaan relatif untuk tiap jam perhari sama. Menghitung pengurangan umur } Y = { ∑ 4 V + ∑ 2V {4 ( 0,29 + 0,29 + 0,29 + 0,29 + Y= 0,29 + 0,29 + 0,29 + 0,29 + 0,29 + 0,29 + 0,29 + 0,29) + 2 (0,29 + 0,29 + 0,29 + 0,29 + 0,29 + 0,29 + 0,29 + 0 ,29 + 0,29 + 0,29 + 0,29 + 0,29)} Y = 0,29 p.u/hari Menghitung perkiraan sisa umur trafo Lama trafo sudah dipakai = umur dasar – (n x susut umur ) 12 = umur dasar – (n x susut umur ) n =
Untuk mendapatkan pengaruh dari berbagai pembebanan terhadap transformator tenaga maka besarnya beban dibuat konstan menjadi 80%, 90% dan 100%.
n
-32-
=
,
= 62,1 tahun
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 3 NO. 1/Juli 2013 Menentukan daya semu Besarnya beban trafo pada tanggal 20 Juni 2012. S = P + Q S = 20 + 5,2 S = 20,7 MVA Menentukan rasio pembebanan K=
Sedangkan untuk pembebanan yang lain umurnya juga dapat ditentukan dengan cara yang sama, sehingga didapatkan Tabel 2 sebagai berikut : Tabel 2 Susut umur dari berbagai macam pembebanan Susut umur Beban Umur NO (pu/hari) (%) (tahun) 1 100 36 5 2 90 0,95 18,9 3 80 0,29 62,1
,
K= K = 0,575 ( ONAN) Menentukan kenaikan temperatur stabil top oil
NO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
∆θ = ∆θ
Dari Tabel 2 dapat dianalisis jika trafo dibebani dengan pembebanan 100% maka sisa umur pakai trafo 5 tahun lagi setelah 12 tahun beroperasi, jika dibebani dengan pembebanan 90% maka sisa umur pakai trafo 18,9 tahun lagi setelah 12 tahun beroperasi dan jika dibebani dengan pembebanan 80% maka sisa umur pakai trafo 62,1 tahun lagi setelah 12 tahun dipakai.
( ,
∆θ = 55
,
)
,
,
∆θ = 55 ∆θ = 55 [0,45] , ∆θ = 26,95 0C Menentukan kenaikan temperatur top oil Untuk besarnya ∆θ ( ) diasumsikan sama dengan ∆θ karena beban awalnya dianggap stabil. = ∆θ ( ) + ∆θ − ∆θ ( ) ∆θ 1− e / ∆θ = 26,95 + ( 26,95 – 26,95 ) 1 − e / ∆θ = 26,95 0C Menentukan temperatur top oil θ = ∆θ + θ θ = 26,95 + 27,1 θ = 54,05 oC Menentukan selisih temperatur antara hot spot dengan top oil ∆θ = (∆θ − ∆θ ) K ∆θ = (78 − 55) (0,575) ( , ) ∆θ = 23 (0,412) ∆θ = 9,48 0C Menentukan temperatur hot spot
Tabel 3 Tabel Pengaruh Suhu Sekitar Susut umur (p.u/hari) Pada pembebanan Suhu (0C) 100% 90% 80% 20 1 0,26 0,08 21 1,12 0,29 0,09 22 1,25 0,32 0,1 23 1,4 0,36 0,1 24 1,58 0,42 0,12 25 1,78 0,47 0,14 26 1,9 0,52 0,15 27 2,24 0,58 0,17 28 2,51 0,66 0,19 29 2,82 0,74 0,21 30 3,16 0,83 0,24 31 3,5 0,92 0,27 32 3,98 1,04 0,31
Dari Tabel 3 dapat dianalisis bahwa suhu sekitar kota Pematangsiantar berubah dari 20 0C sampai 32 0C mengakibatkan susut umur pada pembebanan 100% berada pada cakupan 1 p.u/hari sampai 3,98 p.u/hari, pada pembebanan 90% berada pada cakupan 0,26 p.u/hari sampai 1,04 p.u/hari sedangkan pada pembebanan 80% berada pada cakupan 0,08 p.u/hari sampai 0,31 p.u/hari. Dengan data pembebanan gardu induk Pematangsiantar tanggal 20 Juni 2012, dimana pada tanggal ini gardu induk mengalami pembebanan terbesar selama Juli 2011 sampai Juni 2012.
θ =
∑
∑
θ = (31,4 + 32,6 + 32,2 + 33,1 + 32,9 + 32 + 33,2 + 32 + 31,4 + 32,4 + 31,2 + 30 + 32,2 + 30 + 32 + 33 + 30 + 32,1 + 3,3 + 34 + 33,2 + 31,2 + 31 + 30,1 + 32,2 + 31 + 31,8 + 32 + 31,8 + 32,8)/ 30 θ = 960,9 / 30 θ = 32,03 0C sehingga temperatur hot spot θ = θ + ∆θ + ∆θ θ = 32,03 + 26,95 + 9,48 θ = 68,46 0C
-33-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 3 NO. 1/Juli 2013 4. Hasil penelitian susut umur yang didapatkan seperti 3 kesimpulan diatas hanya berasal dari pengaruh penurunan kemampuan isolasi akibat pemanasan dari pembebanan dan suhu sekitar belum memperhitungkan dari pengaruh yang lain, yang dapat mengakibatkan penambahan laju penyusutan umur.
Menentukan laju penuaan thermal X = 10(θ )/ , )/ , X = 10( , X = 0,03 Menntukan pengurangan umur Y = { ∑ 4 X + ∑ 2 X } Y = {4 (0,03 + 0,014 + 0,03 + 0,18 + 0,089 + +0,026 + 0,025 + 0,023 + 0,07 + 2,04 + 3,24 + 0,85 ) + 2 ( 0,028 + 0,022 + 0,13 + 0,12 + 0,13 + 0,78 + 0,025 + 0,008 + 0,28 + 2,69 + 2,51 + 0,25)} Y = {4 ( 6,617) + 2 (6,973)}
6. Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan terima kasih kepada Drs. T Saragih dan Ir. D br Damanik selaku orang tua penulis, Ir. Eddy Warman selaku dosen pembimbing, juga Ir. A. Rachman Hasibuan, MT dan Ir. Panusur SM L.Tobing selaku dosen penguji penulis yang sudah membantu penulis dalam menyelesaikan paper ini, serta teman-teman penulis yang sudah memberikan dukungan selama pembuatan paper ini.
Y = {40,414} Y = 0,55 p.u/hari Berdasarkan perhitungan susut umur transformator daya diatas dengan data pembebanan gardu induk Pematangsiantar bulan Juli 2011 sampai Juni 2012 dengan pembebanan maksimum tanggal 20 Juni 2012 diperoleh susut umur transformator daya sebesar 0,55 p.u/hari.
7. Daftar Pustaka
5. Kesimpulan
[1]. Wijaya, Mochtar ST, Dasar – Dasar Mesin Listrik, Jakarta : Djambatan, 2001. [2]. Fitzgerald.E.A, dkk, Mesin - Mesin Listrik, Edisi Keempat, Jakarta : Erlangga, 1992. [3]. Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya. Jakarta: Gramedia, 1995. [4]. Perera KBMI, Estimation od Optimum Transformer Capacity Based on Load Curve, Vol 3, NO 1, Transactions of IEE Sri Lanka, January. 2001. [5]. IEC, Loading Guide for Oil Immersed Transformer, IEC Publication, 1972. [6]. PT PLN (PERSERO) P3B SUMATERA, Monitoring Harian Gardu Induk Pematangsiantar, 2012.
Setelah melakukan perhitungan dari data yang diperoleh, maka penulis dapat mengambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Hasil penelitian dari tiga perhitungan untuk pembebanan 100%, 90% dan 80% dimana pada pembebanan 100% diperoleh susut umur 3,6 p.u/hari, pembebanan 90% diperoleh susut umur 0,95% dan pembeanan 80% diperoleh susut umur 0,29 p.u/hari. 2. Pada perhitungan pengaruh suhu sekitar terhadap susut umur trafo seperti pada tabel 4.5 terjadi perubahan untuk setiap perubahan temperaturnya. Apabila suhu sekitar berubah dari 20 0C sampai 32 0C untuk pembebanan 100% susut umurnya berada pada cakupan 1 p.u/hari sampai 3,98 p.u/hari , pembebanan 90% berada pada cakupan 0,26 p.u/hari sampai 1,04 p.u/hari sedangkan pembebanan 80% berada pada cakupan 0,08 p.u/hari sampai 0,31 p.u/hari. 3. Berdasarkan data pembebanan bulan Juli 2011 sampai Juni 2012 susut umur trafo daya Gardu Induk Pematangsiantar dengan pembebanan maksimum tanggal 20 Juni 2012 menghasilkan susut umur 0,55 p.u/hari pada jenis pendingin ONAN dan 0,01 p.u/hari pada jenis pendingin ONAF.
-34-
copyright @ DTE FT USU
