STUDI PERKIRAAN UMUR TRANSFORMATOR DISTRIBUSI 160 kVA MENGGUNAKAN METODE TINGKAT TAHUNAN PADA PT.PLN (PERSERO) APJ CIREBON Anggi Adipriyatna Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro Universitas 17 Agustus 1945 Cirebon Fakultas Teknik Universitas 17 Agustus 1945 Cirebon e-mail:
[email protected]
Abstrak
Sistem distribusi merupakan salah satu sistem dalam tenaga listrik yang mempunyai peran penting karena berhubungan langsung dengan pemakai energi listrik terkhusus transformator distribusi. Transformator distribusi dihubungkan dengan beban melalui jaringan sekunder, dan lokasi pemasangan tersebar di beberapa tempat. Mengingat bagian ini berhubungan langsung dengan konsumen, maka kualitas listrik selayaknya harus sangat diperhatikan. Dengan penurunan kehandalan dari peralatan maka biaya operasional yang dikeluarkan untuk maintenance peralatan tersebut juga akan meningkat. Pada suatu saat, transformator distribusi dapat mengalami pembebanan berlebih. Untuk menanggulangi masalah ini, diperlukan studi tersendiri yaitu dengan memperkirakan masa pakai (umur) peralatan agar hasil yang dicapai menjadi lebih ekonomis. Dalam memperkirakan umur peralatan terkhusus transformator dapat menggunakan metode tingkat tahunan. Dalam menggunakan metode tingkat tahunan diharuskan menentukan nilai per unit (p.u) rating dasar dari transformator. Metode tingkat tahunan menggunakan hukum deterioration yaitu terdiri dari persamaan Arrhenius (Ar), periode changeout (n) dan menghasilkan Jumlah periode changeout (EL), yaitu hasil perkiraan umur transformator. Dalam memperkiraan umur transformator diperoleh nilai per unit rating dasar transformator adalah 1 p.u, nilai n sebesar 5.78, Ar sebesar 0.669, dan hasil akhir perkiraan umur transformator atau jumlah periode changeout adalah 15.72 tahun.
Kata kunci:Transformator,distribusi, Perkiraan, umur, rating, per unit (p.u) deterioration, Arrhenius, periode, changeout. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Sistem distribusi merupakan salah satu sistem dalam tenaga listrik yang mempunyai peran penting karena berhubungan langsung dengan pemakai energi listrik, terutama pemakai energi listrik tegangan menengah dan tegangan rendah. Jadi sistem ini selain berfungsi menerima daya listrik dari sumber daya (trafo distribusi), juga akan mengirimkan serta mendistribusikan daya tersebut kekonsumen. Mengingat bagian ini berhubungan langsung dengan konsumen, maka kualitas listrik selayaknya harus sangat diperhatikan. Mengingat bagian ini
berhubungan langsung dengan konsumen, maka kualitas listrik selayaknya harus sangat diperhatikan[1]. Jatuh tegangan pada sistem distribusi mencakup jatuh tegangan pada: 1. Penyulang Tegangan Menengah (TM) 2. Transformator Distribusi 3. Penyulang Jaringan Tegangan Rendah 4. Sambungan Rumah 5. Instalasi Rumah. Biaya pembangunan suatu jaringan distribusi merupakan suatu persoalan yang memerlukan biaya cukup tinggi, untuk pengadaan suatu peralatan sistem tenaga listrik, terkhusus peralatan transformator daya. Secara teknis suatu peralatan dalam hal ini
adalah transformator distribusi diharapkan mampu secara kontinyu dalam melakukan penyaluran daya, tetapi secara ekonomis suatu peralatan tidak menguntungkan selama dipergunakan secara terus menerus selama masa operasi[2]. Pertambahan umur suatu peralatan seiring dengan penurunan kehandalan atau kondisi dari peralatan tersebut. Apabila suatu peralatan tidak dirawat sesuai dengan waktunya akan mengakibatkan proses penyaluran daya terganggu dan biaya produksi tinggi. Mengingat bagian ini berhubungan langsung dengan konsumen, maka kualitas listrik harus sangat diperhatikan[1]. TINJAUAN PUSTAKA 1.2 Transformator Transformator merupakan peralatan listrik yang berfungsi untuk menyalurkan daya/tenaga dari tegangan tinggi ke tegangan rendah atau sebaliknya. 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[3].
Gambar 1.1. Arus bolak balik mengelillingi inti besi 1.3 Prinsip Kerja Transformator Apabila kumparan primer dihubungkan dengan tegangan sumber, maka akan mengalir arus bolak balik I1 pada kumparan tersebut. Oleh karena kumparan mempunyai inti, arus I 1 menimbulkan fluks magnit yang juga berubah-
ubah pada inti trafo[4].
Gambar 1.2. Prinsip Kerja Transformator Akibat ada fluks magnit yang berubahubah, pada kumparan akan timbul GGL induksi Ep. Besar GGL induksi pada kumparan primer adalah: Ep = -Np
dφ dt
volt ......................(1)
dimana : Ep : GGL induksi pada kumparan primer Np : jumlah lilitan kumparan primer dφ : perubahan garis- garis gaya magnit dalam satuan weber ( 1 weber = 108 maxwell ) dt : perubahan waktu dalam satuan detik
Es = -NS
dφ dt
volt ....................(2)
dimana : NS : jumlah lilitan kumparan sekunder. Tipe pemasangan transformator distribusi: 1. Transformator untuk instalasi gardu cantol 2. Transformator untuk instalasi gardu portal 3. Transformator untuk instalasi gardu beton 1.4 Karakteristik Beban 1.4.1 Pembebanan Transformator Perhitungan Arus Beban Transfomator:
Penuh
IFL =
S √3 x V
............................(3)
< 72,5 72,5 to 170 > 170 Clear, free from sediment and suspended matter
Appereance Colour (on scale given in ISO
dimana: 2049) Breakdown voltage (KV) IFL : Arus beban penuh (A) Water content (mg/kg)a S : Daya transformator (kVA) Acidity (mg KOH/g) V : Tegangan sisi sekunder transformatorDielectric dissipation factor at (kV) 900 and 40 hz to 60 Hz 0
1.4.2 Faktor Penilaian Beban 1. Beban (Demand) 2. Beban Maksimum (Maximum Demand) 3. Beban Puncak (Peak Load) 4. Beban Terpasang (Connected Load) 5. Faktor Keragaman (Diversity Factor) 6. Faktor Kebutuhan (Demand Factor) 7. Faktor Beban (Load Factor) 8. Faktor Rugi-rugi (Loss Factor)
Resistivity at 90 C (GΩm) Oxidation stability Interfacial tension (mN/m) Total PCB content (mg/kg)
1.5 Pendingin Transformator Tabel 1.1. Macam Pendingin (Minyak) Pada Transformator Media Macam sistem pending in
N O
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
AN AF ONAN ONAF OFAN OFAF OFWF ONAN/ ONAF ONAN/ OFAN ONAN/ OFAF ONAN/ OFWF
Dalam transformator Sirkkulas i alamiah
Sirkulasi paksa
Minyak Minyak -
Minyak Minyak Minyak
Luar transformator Sirkula si Sirkula alamia si paksa h udara Udara Udara Udara Udara Udara Air
Kombinasi 3 dan 4 Kombinasi 3 dan 5 Kombinasi 3 dan 6 Kombinasi 3 dan 7
Di dalam standar IEC 60422 telah dicantumkan parameter-parameter minyak isolasi dengan batasan-batasan minim[4]. Tabel 1.2. Batasan Nilai Parameter Minyak Isolasi Yang Baru Dimasukan Kedalam Peralatan Sebelum Proses Energize Property
Highest voltage for equipment KV
Max 2.0
Max 2.0
Max 2.0
> 55 20b Max 0.03
> 60 < 10 Max 0.03
> 60 < 10 Max 0.03
Max. 0.015
Max. 0.015
Max. 0.010
Min. 60 Min. 60 Min. 60 As specified in IEC 60296 Min. 35 Min. 35 Min. 35 Not detectable (< 2 total) See table B 1d
Particles
1.5.1 Kenaikkan Temperatur Top Oil Kenaikkan temperatur ini sepadan dengan kenaikkan temperatur top oil pada nilai daya yang dikalikan rasio dari total kerugian dengan eksponen x[5]. Δbr = Δθbr +
1+ k 2 1+ d
( )
x
...............(4)
Keterangan: K = Rasio pembebanan d =Perbandingan rugi (rugi tembaga pada daya pengenal / rugi beban nol) x = Konstanta x = 0,8 (ONAN dan ONAF) x = 1,0 (OFAF dan OFWF) Δθbr = Suhu 1.5.2 Kenaikkan Temperatur Hot Spot Kenaikkan temperatur hotspot Δθ c untuk beban yang stabil dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut[5]: Δθc = θb + (θcr – θbr ) k2y θc = Δθbr +
[
1+d K 1+d
2
]
+ (Δθcr – Δθbr) K2y
................................................................. (5) Keterangan: Δθcr = 780C K = rasio pembebanan y = Konstanta y = 0,8 (ONAN dan ONAF) x = 0,9 (ONAN dan OFWF) 1.6 Besaran Persatuan
Di dalam menganalisis suatu rangkaian sistem tenaga listrik, digunakan digunakan besaran per satuan untuk menggantikan besaran-besaran yang ada. Hal ini dilakukan untuk mempermudah perhitungan[6]. Besaran persatuan didefinisikan sebagai berikut: Besaran Persatuan: =
Besaran yang sebenarnya Besaran dasar dengan dimensi yang sama 1.7 Hukum Deterioration Arrhenius: = log RB/ log R) x log
-1
[ ( 6250
1 1 − TB T T
)]
.................................................................(6) Dimana : Ar = Umur relatif per priode changeout dalam per unit rating dasar. RB = Faktor pertumbuhan beban tahunan dari transformator dasar. R = Jumlah antara faktor pertumbuhan beban tahunan dengan rating (p.u). TB = Temperatur terpanas pada beban puncak changeout transformator dasar. T = Rating transformator menurut papan nama. Kenaikan temperatur minyak pada beban puncak dapat diperoleh dari persamaan berikut: Δθu = Δθfl
[
2
P Q+1 Q+1
0,8
]
...........(7)
Δθg = Δθg(fl) k1,6 ............................(8) Dimana : Δθu = Batas kenaikan temperatur tertinggi minyak (0C). Δθ(fl) = Kenaikan temperatur bagian teratas minyak pada beban penuh (0C). P = Beban puncak tahunan per unit. Q = Perbandingan antara rugi beban dengan rugi eksitasi (tanpa beban) pada beban nominal. Δθg = Kenaikan temperatur tempat terpanas diatas minyak (0C).
Δθg(fl) = Kenaikan temperatur tempat terpanas diatas minyak pada beban penuh (0C). k = Perbandingan beban dengan beban penuh. Sehingga, rating transformator menurut papan nama (T / suhu) : T = Δθ0 + Δθh .................................(9) Δθu = θn
[
2
PB QB +1 QB+1
0.8
]
.........(10)
Δθh = Δθg . P1,6 ................................(11) Dimana : Δθ0 = Kenaikan temperatur minyak pada beban puncak (0C) Δθh = Kenaikan temperatur terpanas diatas penutup minyak pada beban penuh (0C) θn = Kenaikan temperatur bagian teratas minyak pada beban nominal (0C) Sehingga perkiraan jumlah periode changeout (EL) sampai pada akhir kena (umur) transformator dapat ditulis sebagai berikut: EL =
N NC . Ar
.........................(12)
Dimana: EL : perkiraan jumlah periode changeout. N : umur transformator yang diharapkan. NC : umur transformator rata-rata. Ar : Arrhenius[5]. 1.8 Periode Changeout (Penggantian) Periode changeout adalah waktu penggantian transformator karena sudah tidak memadai akibat pertumbuhan beban. Periode changeout dapat di cari dengan menggunakan persamaan[7]: Ln = ( 1 + r )n ..................................(13) Dimana: r = Pertumbuhan beban tahunan (%) METODE PENELITIAN 1.9 Alat dan Bahan Alat: 1. Volt stick 2. Ampere stick
3. Buku catatan Bahan: Transformator distribusi merek SINTRA 160 kVA.
2.0 Langkah Kerja
Gambar 2.3 Diagram Alir Penelitian 2.1 Data Transformator Sampel perhitungan di ambil dari data Trafo: - Merk : SINTRA - No. Seri : 03145002 - Year : 2007 - Rated : 160 kVA - Type of duty : Countinue - Standart : IEC 76/SPLN 50 - Type of cooling : ONAN - Berat oli : 180 kg - Kenaikan suhu oli: 50°C - Frekuensi : 50 Hz - Phases : 3 phasa - Vektor group : Dyn-5 - Pasangan : 0utdoor - Weight : 800 kg - Kenaikan suhu kumparan: 55°C - High voltage : 20.000 V - Low voltage : 400 V - Current HV : 4.61 A - Current LV : 230 A - Impedance :4%
2.2 Data Karakteristik Beban Faktor beban harian, bervariasi menurut karakteristik dari daerah beban tersebut, apakah daerah pemukiman, daerah industri, perdagangan ataupun gabungan dari bermacam pemakai/pelanggan, juga bagaimana keadaan cuaca atau juga apakah hari libur dan lainlain. Dan tempat penelitian tersebut adalah daerah mayoritas pemukiman rumah tangga. Tabel 1.3. Pengukuran Pembebanan Rata-rata Dalam Hari Waktu (t)
I (A)
Vp-n (V)
09.00-10.00
145,3
222,6
Persen (%) 62,9
10.00-11.00
144,3
222,7
62,4
11.00-12.00
145,3
222
62,9
12.00-13.00
149,2
221,3
64,6
13.00-14.00
147,6
221,8
63,9
14.00-15.00
145
222,3
62,7
15.00-16.00
144
222,5
62,4
16.00-17.00
148
221,3
64,1
17.00-18.00
249,7
218,5
108,1
18.00-19.00
250,6
217,8
108,5
19.00-20.00
250,2
217,9
108,3
20.00-21.00
248,8
218,6
107,7
21.00-22.00
246,7
219,6
106,8
22.00-23.00
143,7
222,0
62,2
23.00-24.00
141,3
222,9
61,2
03.00-04.00
143,3
222,9
62,1
04.00-05.00
206,2
219,7
89,3
05.00-06.00
194,1
221
84
06.00-07.00
145,7
222
63,1
07.00-08.00
144,7
222,3
62,65
08.00-09.00
145,4
222,7
63
HASIL DAN PEMBAHASAN Diketahui data sebagai berikut: S = 160 kVA Vs = 0,4 kV phasa – phasa IFL =
S √3 x V
=
Ampere Irata siang = =
I R + I s+ I T 3
160.000 √ 3 x 400
= 230,94
177,8+171,1+ 89,4 =146,1 Ampere 3
Menentukan satuan per-unit: Zb
I R + I s+ I T 3
Irata malam =
253+ 251,9+151,2 =¿ 3
=
218,7 =
I R + I s+ I T 3
Irata pagi =
163,3
x 100% = 63,26 %
Pada malam hari 17.00–22.00: x 100% = 94,69 %
Pada pagi hari 03.00-09.00:
I rata p agi 163,3 = I FL 230,94
x 100% = 70,71 %
Tabel 1.4. Pembebanan rata-rata trafo 160 kVA
09.00 s/d 17.00 17.00 s/d 24.00 17.00 s/d 09.00
DAYA (kVA)
Vrata-
Iratarata
rata
400 0,16
= 2500 Ω
MVA3 ∅
Ampere Presentase pembebanan transformator adalah: Pada siang hari 09.00-17.00:
I ratamalam 218,7 = I FL 230,94
Ohm
Jadi, impedansi per satuan rangkaian menurut papan nama adalah:
212+174,1+103,7 ¿ =¿ 3
I ratasiang 146,1 = I FL 230,94
(tegangan dasar KV 11 )2 daya dasar , MVA 3 ∅❑
202 ¿ 0,16
Ampere
JAM
¿
(A)
Beba n (%)
146,163,26
Waktu Operas i Siang hari
160
222,1
160
219,6
218,7
94,69
Malam hari
160
221,8
163,3
70,71
Pagi hari
2.3 Perkiraan Umur Transformator 2.3.1Menentukan Satuan Per-Unit (p.u) Diketahui: Data transformator SINTRA 160 kVA Daya = 160 kVA ~ 0.16 MVA Asumsikan r = 8 % ~ 0,08
Zpu = Z
( KV 11)2
Zpu = 2500
0,16 202
= 1 p.u Harga dasar yang digunakan adalah: QB = 30 PB = 1,8 RB = 1,09 N = 20 tahun NC = 11 tahun Faktor ini dipilih sedemikian rupa sehingga umur yang diperkirakan bagi transformator dasar selama 20 tahun adalah sama seperti transformator yang dibebani beban puncak tahunan konstan sebesar 100 % dari rating transformator selama beroperasi (secara umum).
2.3.2 Analisis Penelitian Dengan cara first size changeout transformator 160 kVA diganti dengan 250 kVA. Ingin diketahui perkiraan umur transformator yang 160 kVA. Data: - Beban puncak tahunan per-unit (P): 1.8 p.u - Kenaikan temperatur bagian teratas minyak pada beban nominal (θn): 650C - Kenaikan temperatur tempat terpanas di atas minyak pada beban nominal: 600C - Perbandingan antara keadaan sesungguhnya dengan batas kenaikan temperatur tertinggi minyak pada beban
puncak (θfl): 0.85 Kenaikan temperatur minyak untuk beban puncak (θ0): 500C Kenaikan temperatur terpanas diatas penutup minyak (θh): 240C Kenaikan temperatur tempat terpanas diatas minyak (Δθg): 240C Rasio kerugian beban dengan kerugian eksitasi beban nominal (Q) = 3 Asumsikan pertumbuhan beban rata-rata (r) 8 %
-
Periode changeout: Ln = ( 1 + r )n
250 160 1,56
menurut papan nama: T = θ0 + θg =500C + 240C = 740C TB = Δθu + Δθh + T = 139,23 + 61,46 + 74 = 274,690C Dengan menggunakan harga dasar yang digunakan, tentukan T total: Q =3 P = 1.8 RB = 1,09 R ( r + Zp.u): 0,08 + 1 = 1,08 Maka:
= θ(fl) x θn
P (¿¿ 2 Q)+1 Q+1 ¿ ¿ ¿ ¿
= 0.85 x 65
1,8 (¿¿ 2 .3)+1 3+1 ¿ ¿ ¿ ¿
= (1 + 0,08)n = 1,08n
Δθ0
ln 1,56 n
= ln 1,08
= 5,78 Jadi, periode changeout adalah 5,78. Maka untuk menentukan kenaikan temperatur bagian teratas minyak pada beban penuh:
Δθu
Δθu
= θ(fl) x θn
PB (¿¿ 2 QB)+1 QB +1 ¿ ¿ ¿ ¿
= 0.85 x 65
1,8 (¿¿ 2 .30)+1 30+1 ¿ ¿ ¿ ¿
= 55.25 x 2.52 = 139,230C Tentukan perubahan kenaikan temperatur terpanas diatas penutup minyak pada beban penuh: Δθh = Δθg . P1,6 Δθh = 24 . 1.81,6 = 61,460C Menentukan rating transformator
= 55,25 x 2,03 = 112,20C T = 740C TT = Δθ0 + Δθh + T = 112,2 + 61,46 + 74 = 247,660C Dengan mengunakan harga TB dan T didapat: Ar = (log RB/ log R) x log-1
[ ( 6250
Ar
1 1 − TB T T
log1,09 log1,08
=
[ ( 6250
)]
1 1 − 274,69 247,66
= 1,12 x 0,598 = 0,669
)]
x
log-1
Untuk menghitung EL: EL
=
N NC . Ar
EL
=
20 11 . 0,669
= 2,72 Jadi, perkiraan umur transformator menurut perhitungan: Perkiraan umur =EL x n = 2,72 x 5,78 = 15,72 tahun Jadi, perkiraan umur trafo yang layak pakai adalah 15 – 16 tahun. KESIMPULAN DAN SARAN 2.4 Kesimpulan 1. Perkiraan umur transformator dengan metode tingkat tahunan diperoleh nilai 15,72 yang dapat dibulatkan sekitar 15 – 16 tahun. 2. Pada umur lebih dari 16 tahun, transformator kemungkinan mengalami penurunan tingkat efisiensi karena berbagai faktor seperti kerugian mekanis, histerisis, suhu, lingkungan dan lain- lain. 2.5 Saran 1. Untuk segera melakukan penggantian (changeout) transformator yang tingkat efisiensi nya sudah menurun yang disebabkan rugi-rugi internal dan eksternal, karena dapat merugikan baik penyalur tenaga listrik maupun konsumen. 2. Untuk tidak membebani transformator lebih dari rating maksimum karena dapat membuat umur transformator lebih cepat
berkurang selain dari faktor eksternal. DAFTAR PUSTAKA 1. Badan Standardisasi Nasional. 2000. Persyaratan Umum Instalasi Listrik. 2. Afandi. 2010. Operasi Sistem Tenaga Listrik. Gava Media: Yogyakarta. 3. Buku Pedoman Operation & Maintenance Transformator Tenaga. 4. Sumanto. 1991. Teori Transformator. Andi Offset: Yogyakarta. 5. Odinanto, Tjahja. 2014. Analisis Pengaruh Pembebanan Terhadap Usia Transformator Distribusi Di PT. PLN Distribusi Apj Gresik. 6. Sulasno. 2001. Analisis Sistem Tenaga Listrik. UNDIP: Semarang. 7. Sitanggang, Mancon. 2009. Studi Perkiran Umur Transformator Menggunakan Metode Tingkat Tahunan. Universitas Sumatera Utara. 8. Tentang penentuan dan biaya transformator.http:// %2Fa62e9afb61d75a3eb9ee78c3c651599 8.pdf&ei=tbUxVeyYE4GuATj. Diakses pada tanggal 13 maret 2015. 9. Tentang manajemen aset gardu distribusi trafodistribusi.http://www.academia.edu/4 757950/MANAJEMEN_ASET_GARDU _DISTRIBUSITrafo_Distribusi_dan_Proteksi_Gardu PLN_Udiklat_Makassar_2010. Diakses pada tanggal 13 maret 2015. 10.Teori dasar jaringan distribusi. http%3A %2F%2Fpasca.unhas.ac.id%2Fjurnal %2Ffiles.. Diakses pada tanggal 13.maret 2015.
