TUGAS AKHIR STUDI PENGARUH ARUS INRUSH DAN ARUS HUBUNG SINGKAT TERHADAP PENGAMAN TRANSFORMATOR. (Studi Kasus pada PT.PLN (Persero) Cabang Medan)

TUGAS AKHIR STUDI PENGARUH ARUS INRUSH DAN ARUS HUBUNG SINGKAT TERHADAP PENGAMAN TRANSFORMATOR (Studi Kasus pada PT.PLN (Persero) Cabang Medan)

Tugas Akhir ini Diajukan Untuk Melengkapi Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Elektro

OLEH : Edison Sitorus 050402020

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSTAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

Universitas Sumatera Utara

STUDI PENGARUH ARUS INRUSH DAN ARUS HUBUNG SINGKAT TERHADAP PENGAMAN TRANSFORMATOR (Studi Kasus pada PT.PLN (Persero) Cabang Medan) Oleh : EDISON SITORUS 050402020 Tugas Akhir ini Diajukan Untuk Melengkapi Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Elektro Disetujui oleh, Pembimbing

IR.SUMANTRI ZULKARNAEN NIP : 1947 0503 1973061 001 Diketahui oleh, Pelaksana Harian Ketua Departemen Teknik Elektro

PROF.DR.IR. USMAN BAAFAI NIP.1946 1022 1773021 001

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSTAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

Universitas Sumatera Utara

ABSTRAK

Transformator sangat memegang peranan penting dalam penyaluran energi listrik mulai dari trafo daya pada pembangkit, gardu induk dan juga trafo distribusi yang biasanya adalah pasangan luar yang ada pada tiang. Pada saat energize pada transformator mengakibatkan perubahan fluks seketika pada inti transformator. Perubahan fluks seketika pada inti transformator akan mengakibatkan timbulnya arus magnetisasi yang dikenal dengan istilah arus inrush. Arus inrush ini tergantung pada besar kapasitas trafo. Pada prinsipnya arus inrush ini tidak membahayakan pada transformator karena waktunya sangat singkat. Untuk itu perlu dibuat suatu pengamanan dimana pengaman tersebut tidak bekerja pada saat adanya arus inrush. Akan tetapi pada saat gangguan hubung singkat pengaman harus bekerja, karena menghasilkan

arus gangguan yang besar dan

apabila tidak dihilangkan maka akan dapat merusak peralatan lain. Dengan pertimbangan ekonomis pengaman pada trafo distribusi yang digunakan PLN menggunakan fuse (pelebur). Pada prinsipnya adalah sama akan tetapi penggantian fuse dilakukan secara manual. Untuk itu penting ditinjau karakteristik fuse yang paling tepat yang dipasang dan pertimbangan – pertimbangan pemilihan fuse.

Universitas Sumatera Utara

KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur Penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan berkat dan rahmat-Nya sehingga Tugas Akhir ini yang berjudul “ Studi Pengaruh Arus Inrush dan Arus Hubung Singkat terhadap Pengaman Transformator ” dapat diselesaikan dengan baik. Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat bagi penulis untuk memperoleh gelar Sarjana (Strata 1) di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Selama masa pendidikan di kampus sampai masa penyelesaian Tugas Akhir ini, penulis banyak memperoleh bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu dengan penuh ketulusan hati, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar – besarnya kepada : 1. Kedua Orang Tua penulis (H. Sitorus dan D. br. Tampubolon), abang saya (M.Sitorus), adek (Rosdiana, Jungjungan, Maju, Daniel) yang selalu mendukung dan memberikan kasih sayang yang tak ternilai harganya sehingga penulis dapat menyelesaikan pendidikan hingga saat ini. 2. Hakenia Novita Lubis yang memberikan dukungan penuh kepada penulis. 3. Bapak Ir. Sumantri Zulkarnaen sebagai Dosen Pembimbing Tugas Akhir saya yang sangat besar bantuannya dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 4. Bapak Ir. Masykur Sjani selaku Dosen Wali penulis selama menyelesaikan pendidikan di Universitas Sumatera Utara. 5. Bapak Ir.Eddy Warman sebagai Ketua Sidang Tugas akhir saya 6. Bapak Ir. Syamsul Amin sebagai Dosen Penguji Tugas Akhir saya. 7. Bapak Ir. Panusur S.M L.Tobing sebagai Dosen Penguji Tugas akhir saya.

Universitas Sumatera Utara

8. Bapak Ir. Mustafrind Lubis Sebagai Dosen penguji Tugas akhir saya. 9. Bapak Prof. Dr. Ir.Usman Baafai, selaku Pelaksana Tugas Harian Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 10. Bapak Rahmad Fauzi ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 11. Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 12. Pak Swito, Pak Syamsul, Pak Yudi, Pak Heru, Pak Fery (Staf PLN Cabang Medan) dan Pak Franciskus dari PT. Morawa Electric Transbuana yang banyak membantu dalam penulisan Tugas Akhir ini. 13. Teman – teman Elektro 2005 : Kristoper, Colin, Richard, Eko Rinal, Daniel, Elis, Rainhard, Fritz, Mangiring, Sadak, Windy, Marhon, Lamringan, Fery, Herman, Rony, Edward, Benni dan teman – teman lain yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu. 14. Kepada semua pihak yang banyak memberi dukungan kepada penulis yang tidak dapat disebutkan satu persatu. Penulis sangat menyadari bahwa Tugas Akhir ini tidak luput dari kesalahan – kesalahan baik dari segi tata bahasa, penulisan bahkan mungkin secara ilmiahnya. Untuk itu penulis dengan berbesar hati akan selau menerima dengan terbuka segala saran dan kritik yang nantinya dapat memperbaiki Tugas Akhir ini. Akhir kata, semoga Tugas Akhir ini akan bermanfaat untuk semua pihak Medan, Juni 2010 Penulis

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR ISI ABSTRAK……………………………………………………………………………i KATA PENGANTAR…………………………………………………………….….ii DAFTAR ISI…………………………………………………………………...……iii DAFTAR GAMBAR…………………………………………………...….………viii DAFTAR TABEL…………………………………………………………………...xi

BAB I PENDAHULUAN I.1. Latar Belakang………………………….……………………..…..……..1 I.2. Tujuan Penulisan…...……………….……………..……………………..2 I.3. Batasan Masalah ….....……………….……………………….………….3 I.4. Metodologi Penulisan………………………………………………….…3 I.5. Sistematika Penulisan………………….…………………………………4

BAB II TRANSFORMATOR II.1. Umum…………………………………………………………..……….6 II.2. Konstruksi Transformator……………..………………….…………..…7 II.2.1. Tipe inti ( Core form )…………………………….…..…………7 II.2.2. Tipe cangkang ( Shell form )…………………..………………..8 II.3. Prinsip Kerja Transformator……………………………………...……..9 II.3.1. Keadaan Transformator Tanpa Beban……………….….……..10 II.3.2. Keadaan Berbeban……………………………………….…….11 II.4. Rangkaian Ekivalen Transformator……………………………...…….12

Universitas Sumatera Utara

II.4.1. Pengukuran Beban Nol………………………………...…..12 II.4.2. Pengukuran Hubungan Singkat……………………..……..13 II.5. Operasi Kerja Pararel Transformator………………………….………14 II.6. Rugi – rugi dan Efisiensi………………….………………….………..15 1I.6.1. Rugi tembaga ( Pcu )………………………………………….16 II.6.2. Rugi besi ( Pi ) ………………….…………………….……….16 II.6.3. Efisiensi………………………………………………………..17 II.6.3.1. Perubahaan Efisiensi Terhadap Beban ………...…….18 II.6.3.2.Perubahan Efisiensi Terhadap Factor Kerja (Cos Ф) Beban…………………………...…...18 II.7. Persamaan Operasional Transformator Ideal………………………….19 II.7.1. Transformator Fasa Satu………….……………………..……..21 II.7.2. Transformator Tiga Fasa……………………………….………21

BAB III ARUS INRUSH, ARUS HUBUNG SINGKAT DAN PENGAMAN TRANSFORMATOR III.1. Umum……………………………..……..…………………..………….23 III.2. Arus Inrush…………………………………………………..….………23 III.2.1. Arus Eksitasi……..……….………………………....…………..23 III.2.2. Komponen Magnetisasi…………..…………………….……….23 III.2.3. Fenomena Arus Inrush………………...………...………..…….26 III.2.4. Perhitungan Arus Inrush……………………………….………..29 III.2.5. Komponen Harmonik Arus Inrush pada Transformator………..32

Universitas Sumatera Utara

III.2.6. Lama Terjadinya Arus Inrush…………………………….……..34 III.3. Arus Hubung Singkat…………………………………….…..…………36 III.3.1. Analisa Gangguan Tiga Fasa dengan Metode Thevenin....................39 III.4. Pengaman Pada Transformator ……………………………..……….….41 III.4.1. Pengaman Transformator Distribusi…………………………….42 III.4.2. Pemilihan dan Penggunaan pelebur (sekring) pada Transformator Distribusi…………………………………………………….….50

BAB IV

PERHITUNGAN ARUS INRUSH DAN ARUS HUBUNG SINGKAT PADA SISI PRIMER DAN SEKUNDER TRANSFORMATOR IV.1. Umum……………………....…………………………….……..…….63 IV.2. Perhitungan Arus Nominal dan Arus Maksimum Transformator.…...64 IV.3. Perhitungan Besar Arus Inrush Maksimum…………..………………64 IV.4. Lama Terjadinya Arus Inrush dan Definite Time Kerja Fuse………...68 IV.5. Perhitugan Nilai Besar Arus Hubung Singkat 3 fasa pada Kedua Sisi Trafo Distribusi……………………………………………….….69 IV.5.1. Penyederhanaan Nilai Impedansi Jaringan Distribusi……..…69 IV.5.2. Perhitungan Arus Hubung Singkat pada Sisi Primer Trafo Distribusi F1..................................................................110 IV.5.3. Perhitugan Besar Arus Hubung Singkat di Sisi Sekunder Trafo Distribusi F2……………………………………..…….111 IV.6. Analisa Arus Yang Menyebabkan Fuse Bekerja …………………...112 IV.6.1. Saat Terjadi Hubung Singkat di titik F1 ……….…………112

Universitas Sumatera Utara

IV.6.2. Saat Terjadi Hubung Singkat di itik F2….………..………113 IV.6.3. Saat terjadi Hubung Singkat di titik F3……...……...…….114 IV.6.4. Saat terjadi hubung singkat di titik F4……...………….…115 IV.7. Pemilihan Rating Fuse yang digunakan pada Trafo Distribusi……...116

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN V.1. Kesimpulan……………………………………….………………...117 V.2. Saran……………………………………………..………...……….117

DAFTAR PUSTAKA…………………………….………………….…...………118

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Konstruksi Transformator Tipe Inti ( core form )…….…………..……7 Gambar 2.2. Konstruksi Lempengan Logam Inti Transformator Bentul L dan U…...8 Gambar 2.3. Transformator Tipe Cangkang ( shell form )………………….……..…8 Gambar 2.4. Konstruksi Lempengan Logam Inti Transformator Bentuk E, I dan F...8 Gambar 2.5. Transformator Tanpa Beban……………………...………..………….10 Gambar 2.6. Transformator dalam Keadaan Berbeban…………...………..……….11 Gambar 2.7. Rangkaian Ekivalen Sebuah Transformator……….…...……………..12 Gambar 2.8. Rangkaian Dua Transformator Paralel……………....………..………14 Gambar 2.9. Blok Diagram Rugi – Rugi pada Transformator………….…………..15 Gambar 2.10. Kurva Perubahan Efisiensi terhadap Faktor Kerja…………...…..….18 Gambar 2.11. Model Transformator 1 Fasa………………….……………..…..…..21 Gambar 2.12. Model Transformator 3 Fasa Terhubung Y dan Delta….….…..……22 Gambar 3.1. Kurva B – H………………………………………..………..………..25 Gambar 3.2. Fluks pada Transformator saat Kondisi Transient………..…..……….28 Gambar 3.3. Arus Inrush Maksimum………………………………..………...……29 Gambar 3.4. Arus Transient pada saat Transformator Energize………..…….…….30 Gambar 3.5. Tegangan dan Komponen Harmonik saat Transformator Energize.....32 Gambar 3.6. Tegangan dan Komponen Harmonik saat Transformator Saturasi.….33 Gambar 3.7. Grafik Perbandingan

Ir ' tr terhadap ..……….……..35 Ip(inrush) τ (inrush)

Gambar 3.8. Vektor Diagram untuk Komponen Urutan............................................38

Universitas Sumatera Utara

Gambar 3.9. Model Rangkaian Thevenin.........................................................................40 Gambar 3.10. Penempatan Fuse dan Lighthing Arester pada Trafo Tiang………..……43 Gambar 3.11. Karakteristik Arus - Waktu antara Dua Sekring………...……..…….....44 Gambar 3.12. Single Line Pengaman Trafo Distribusi 200kVA…………..……………45 Gambar 3.13 . Tipe Fuse Link untuk Pemasangan Luar……..….……………………...49 Gambar 3.14. Pelebur Jenis Pembatasan Arus……………..………...………..….…….53 Gambar 3.15 . Pelebur Jenis Letupan Kelas 2 Tipe Jatuh…………….……….………..54 Gambar 3.16 . Daerah Kerja Pelebur Primer untuk Mengamankan Trafo Distribusi..…56 Gambar 3.17. Contoh Koordinasi antar Pelebur Primer dan Sekunder.........…..…….....61 Gambar 4.1. Diagram Impedansi Simpul 3…………...………….…….…..…………..70 Gambar 4.2. Diagram Impedansi Simpul 4………………………...…………………..72 Gambar 4.3. Diagram Impedansi Simpul 5…………………………………………….73 Gambar 4.4. Diagram Impedansi Simpul 6…………………………………………….78 Gambar 4.5. Diagram Impedansi Simpul 7………………………………………...…..81 Gambar 4.6. Diagram Impedansi Simpul 8………………………………….…………82 Gambar 4.7. Diagram Impedansi Simpul 9…………………………….………………88 Gambar 4.8. Diagram Impedansi Simpul 10……………………………...……………89 Gambar 4.9. Diagram Impedansi Simpul 12……………………………...……………91 Gambar 4.10. Diagram Impedansi Simpul 13…………………………….……………92 Gambar 4.11. Diagram Impedansi Simpul 14………………………………………….95 Gambar 4.12. Diagram Impedansi dari Simpul 1- 14…………………………………..97

Universitas Sumatera Utara

Gambar 4.13. Diagram Impedansi Simpul 15…….……………………...………103 Gambar 4.14. Diagram Impedansi Simpul 16………..…………………………..104 Gambar 4.15. Diagram Impedansi Simpul 17…………..………….…..…………105 Gambar 4.16. Diagram Impedansi Simpul 14 -17……………………..…………107 Gambar 4.17. Diagram Titik Gangguan F1 dan F2……………………………….108 Gambar 4.18. Rangkaian Thevenin Gangguan F1………………………….……..109 Gambar 4.19. Rangkaian Thevenin Gangguan F2………………………..……….110 Gambar 4.20. Arah Arus Yang Melewati Fuse Saat Terjadi Gangguan F1……….112 Gambar 4.21. Arah Arus Yang Melewati Fuse Saat Terjadi Gangguan F2…….....113 Gambar 4.22. Arah Arus Yang Melewati Fuse Saat Terjadi Gangguan F3…….....114 Gambar 4.23. Arah Arus Yang Melewati Fuse Saat Terjadi Gangguan F4……….115

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Nilai Rugi – Rugi Transformator Distribusi……...…...…………………17 Tabel 3.1. Nilai τ Inrush ( s) untuk Transformator Distribusi…………..…………..34 Tabel 3.2. Speed Ratio Fuse Links…………...…………...………..……………….47 Tabel 3.3. Daftar Batas Pengaman Trafo Distribusi…..…………………………….48 Tabel 3.4. Batas Awal Ketahanan Hubung Singkat Trafo Distribusi…..…....……...57 Tabel 3.5 . Rekomendasi Arus Pengenal 24 kV Jenis Letupan Sebagai Pengaman Trafo Distribusi di Sisi Primer…...………….………………………….58 Tabel 3.6. Rekomendasi Pemilihan Arus Pengenal Pelebur 24 kV Jenis Letupan di Sisi primer dan Sekunder…….……....………………………………60 Tabel 3.7. Rekomendasi Pemilihan Arus Pengenal Anak Pelebur 24 kV Jenis Pembatas Arus………..……………….……..……………….…………62

Universitas Sumatera Utara

LAMPIRAN

Lampiran 1.

Gambar Satu Garis Penyulang 20 KV Penyulang TI.3 Senangin

Lampiran 2.

Letak Trafo pada Gambar Satu Garis Penyulang 20 KV Penyulang TI.3 Senangin

Lampiran 3.

Data Dimensi Jaringan Distribusi 20 KV Penyulang TI.3 Senangin

Lampiran 4.

Data Trafo Terpasang Penyulang TI.3 Senangin Rayon Medan Kota

Lampiran 5.

Typical Data Transformator Distribusi dan Trafo Tenaga

Universitas Sumatera Utara