BAB II

TRANSFORMATOR TENAGA

2.1 Teori Dasar

PT PLN (Persero) Pembangkitan Sumbagsel merupakan bagian dari sistem

interkoneksi kelistrikan Sumbagsel – Sumbagteng. Konstribusi kelistrikan yang

disalurkan sektor pembangkitan Ombilin ke sistem interkoneksi sebesar 29,64 % dari

total keseluruhan pembangkit yang ada di sistem interkoneksi Sumatera Bagian Barat

dan Riau.

PLTU Ombilin terdiri dari 2 unit masing-masing unit memiliki kapasitas 100

MW. Gardu induk pada PLTU Ombilin menggunakan Gas Insulated Switchgear

( GIS ) yang berkapasitas 3150 A. Tenaga listrik yang dihasilkan PLTU Ombilin

melalui generator dengan tegangan 11,5 kV dinaikkan menjadi 150 kV melalui trafo

utama. Kemudian disalurkan melalui jaringan tegangan tinggi 150 kV yang terhubung

ke sistem interkoneksi Sumbagsel, Sumbagteng yang dikendalikan oleh Pusat

Penyaluran dan Pengaturan Beban Sumatera (P3BS).

Maka transformator tenaga merupakan bagian vital (critical part) dalam

sistem tenaga listrik, dimana PLTU Ombilin merupakan pembangkit dan penyalur

tenaga listrik. Dengan trafo, PLTU Ombilin dapat menyalurkan energi listrik ke

tegangan rendah atau sebaliknya sesuai dengan jenis trafo yang difungsikan.

2.1.1 Pengertian Transformator Tenaga

Transformator tenaga adalah suatu alat listrik yang dapat menyalurkan tenaga / daya

listrik dari tegangan tinggi ke tegangan rendah atau sebaliknya, melalui suatu gandengan

magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnet. Dalam sistem tenaga kelistrikan

transformator mempunyai peran penting terutama pada sistem transmisi dan distribusi tenaga

listrik.

9

PLTU Sektor Pembangkitan Ombilin mempunyai 3 jenis transformator yaitu:

a. UAT (Unit Auxiliary Transformer)

UAT (Unit AuxiliaryTransformer) adalah transformator utama untuk

pemakaian sendiri yang dipasang paralel dengan trafo generator, berfungsi sebagai

penurun tegangan pembangkitan 11,5 kV menjadi 6 kV. Pada saat operasi dalam

keadaan normal seluruh kebutuhan tenaga listrik untuk peralatan listrik maupun

penerangan disuplai oleh trafo ini.

Gambar 2.1 Trafo UAT (Unit Auxiliary Transformer)

b. SST (Station Service Transformer)

Pada saat terjadi unit trip, maka untuk menjaga peralatan-peralatan vital tetap

bekerja, maka PLTU menggunakan supplay dari luar. Tegangan dari saluran

transmisi 150 kV diturunkan tegangannya menggunkan trafo SST (Station Service

Transformer).

Gambar 2.2 Trafo SST (Station Service Transformer)

10

c. Transformator Generator (Generator Transformer)

Transformator generator (Generator Transformer) berfungsi menaikkan

tegangan pembangkitan 11,5 kV menjadi 157,5 kV yang dipasok pada bus A dan B

yang berhubungan langsung dengan saluran transmisi, pada sistem interkoneksi se

Sumatra.

Gambar 2.3 Transformator Generator (Generator Transformer)

2.1.1.1 Prinsip Kerja Transformator

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 (mutual

induction) 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).

11

e = - n dΦdt

(volt)

dimana :

e = Gaya gerak listrik (volt)

n = Jumlah lilitan

dΦdt

= Perubahan fluks magnet (weber/second)

Perlu diingat bahwa hanya tegangan listrik arus bolak-balik yang dapat

ditransformasikan oleh transformator. Tujuan utama menggunakan inti pada

transformator adalah untuk mengurangi reluktansi (tahanan magnetis) dari rangkaian

magnetis (common magnetic circuit).

2.1.1.2 Bagian – bagian Transformator

Ada beberapa macam bagian pada transformator seperti peralatan utama,

peralatan bantu dan peralatan proteksi.

a. Peralatan Bagian Utama

1. Inti Besi

Berfungsi untuk mempermudah jalan fluksi, yang ditimbulkan oleh arus listrik

yang melalui kumparan. Inti jangkar terbuat dari susunan plat/lempengan-lempengan

besi tipis berbahan ferro magnetic yang berisolasi, yaitu suatu bahan yang mudah

dijadikan magnet dan mudah pula hilang kemagnetannya. Dengan kata lain bahan

dengan magnet elementer yang jarang. Bahan ferro dengan magnet elementer yang

demikian berfungsi untuk mengurangi kerugian hysteresis, sedangkan inti yang

dibuat berlapis berfungsi untuk mengurangi kerugian arus pusar Eddy Current.

12

Gambar 2.4 Inti Besi dan Laminasi yang diikat Fiber Glass

2. Kumparan Transformator

Adalah beberapa lilitan kawat yang terbuat bahan tembaga berlapis isolasi

email, yaitu suatu bahan yang mempunyai nilai tahanan jenis kecil, yang membentuk

suatu kumparan. Bahan tembaga ini berfungsi untuk mengurangi kerugian daya.

Isolasi email berfungsi untuk menghindari terjadinya hubungan singkat antara batang

– batang kawat. Kumparan tersebut terdiri dari kumparan primer dan kumparan

sekunder. Kumparan input (primer) berfungsi untuk tempat masuknya daya listrik

yang akan dirobah dan dipindahkan. Kumparan output (sekunder) berfungsi untuk

menampung daya yang telah dipindahkan dari kumparan input. Kumparan trafo ini

juga berfungsi sebagai alat transformasi tegangan dan arus.

13

Gambar 2.5 Kumparan Phasa RST

3. Pasak

Terbuat dari bahan vakelit yaitu suatu bahan berupa isolasi yang berfungsi

untuk memadatkan susunan dari batang – batang kawat dari kumparan ke dua

rangkaian, baik rangkaian input maupun rangkaian out put. Pemadatan susunan

batang – batang kawat ini berfungsi untuk mengurangi kerugian akibat getaran.

4. Minyak Transformator

Minyak trafo merupakan minyak mineral yang secara umum terbagi tiga jenis,

yaitu parafinik, naphatik, dan aromatic. Ketiga jenis minyak ini tidak boleh

dilakukan pencampuran karena memiliki sifat fisik dan kimia yang berbeda. Sebagian

besar kumparan-kumparan dan inti trafo tenaga direndam dalam minyak trafo,

terutama trafo-trafo tenaga yang berkapasitas besar. Minyak trafo ini berfungsi

sebagai media isolasi, media pemindah, pendingin, dan pelindung belitan dari

oksidasi.

5. Bushing

Bushing adalah sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator. Berfungsi

sebagai penghubung antara kumparan trafo ke jaringan luar. Isolatornya berfungsi

sebagai penyekat antara konduktor bushing dengan tangki trafo.

14

Bushing dilengkapi dengan fasilitas untuk pengujian tentang kondisi bushing

yang sering disebut center tap.

6. Tangki Konservator

Minyak transformator saat terjadi kenaikan suhu operasi dapat memuai

sehingga volumenya bertambah. Sebaliknya saat terjadi penurunan suhu operasi,

minyak akan menyusut dan volume minyak akan turun. Konservator berfungsi untuk

menampung minyak cadangan dan uap / udara akibat pemanasan trafo karena arus

beban.

Seiring dengan naik turunya volume minyak di konservator akibat pemuaian

dan penyusutan minyak trafo, volume udara di dalam konservator pun akan

bertambah atau berkurang. Penambahan dan pembuangan udara di dalam konservator

akan berhubungan dengan udara luar. Untuk menjaga agar minyak tidak

terkontaminasi oleh kelembaban dan oksigen yang masuk bersama udara dari luar

melalui saluran pelepasan dan masukanya udara kedalam konservator, diperlukan

media penyerap uap air pada udara yang disebut dengan silica gel.

Hal lain yang dapat dilakukan untuk menghindari agar minyak trafo tidak

berhubungan lansung dengan udara luar adalah dengan merancang konservator

dengan menggunakan Brether bag / Rubber Bag, yaitu sejenis balon karet yang

dipasang di dalam tangki konservator.

Gambar 2.6 Konservator minyak trafo15

b. Peralatan Bagian Bantu

1. Sistem Pendingin

Trafo yang dialiri arus akan menjadi panas (akibat rugi – rugi besi dan rugi –

rugi tembaga) yang sebanding dengan arus yang mengalir serta temperatur udara

disekeliling trafo tersebut. Jika temperatur luar cukup tinggi dan beban trafo juga

tinggi maka trafo akan beroperasi dengan temperatur yang tinggi pula. Sehingga

dapat menyebabkan kerusakan pada isolasi ( di dalam trafo). Untuk mengatasi hal

tersebut trafo perlu dilengkapi dengan sistim pendingin untuk menyalurkan panas

keluar trafo.

Media sistem pendingin dapat berupa udara / gas, minyak, air, dan lainnya.

Bentuk pengaliran (sirkulasi) dapat dengan cara alamiah ( natural) dan tekanan atau

paksaan. Cara alamiah bisa memanfaatkan cairan pendingin dan dengan cara

mensirkulasikan secara teknis baik yang menggunakan sistem radiator, sirip-sirip

yang tipis berisi minyak dan dibantu dengan hembusan angin dari kipas-kipas sebagai

pendingin yang dapat beroperasi secara otomstis berdasar pada setting relai

temperatur dan sirkulasi air yang bersinggungan dengan pipa minyak isolasi panas.

Dari sistem pendingin tersebut maka trafo dapat dibagi berdasarkan sistem

pendinginnya seperti ONAN, ONAF, OFAN, OFAF dan OFWF.

Untuk mempercepat penyaluran panas trafo, maka sistem pendingin trafo

dapat dilengkapi dengan peralatan pompa – pompa sirkulasi minyak, udara dan air.

Cara ini disebut pendinginan paksa (forced).

16

Tabel 2.1 Macam-Macam Pendingin pada Transformator

NoMacam

Pendingin

Media

Dalam Transformator Luar Transformator

Sirkulasi

Alamiah

Sirkulasi

Paksa

Sirkulasi

Alamiah

Sirkulasi

Paksa

1. AN - - Udara -

2. AF - - - Udara

3. ONAN Minyak - Udara -

4. ONAF Minyak - - Udara

5. OFAN - Minyak Udara -

6. OFAF - Minyak - Udara

7. OFWF - Minyak - Air

8. ONAN/ONAF Kombinasi 3 dan 4

9. ONAN/OFAN Kombinasi 3 dan 5

10. ONAN/OFAF Kombinasi 3 dan 6

11. ONAN/OFWF Kombinasi 3 dan 7

*) menurut IEC pada tahun 1997

2. Alat Pernapasan (Dehydrating Breather)

Alat pernapasan ini berfungsi untuk melindungi minyak trafo dari

kontaminasi udara di luar tangki konservator (penampung). Karena pengaruh naik

turunnya beban transformator maupun suhu luar udara transformator mempengaruhi

suhu minyak trafo yang akan berubah – ubah mengikuti keadaan tersebut.

Pada konservator ini permukaan minyak diusahakan tidak boleh

bersinggungan dengan udara karena kelembaban udara yang mengandung uap air

17

akan mengkontaminasi minyak walaupun prosesnya berlangsung cukup lama dan

dapat menurunkan nilai tegangan tembus minyak trafo.

Untuk mengatasi udara yang masuk kedalam tangki konservator, yaitu pada

saat minyak menjadi dingin dan jumlahnya yang menyusut mengakibatkan alat

pernapasan akan menghisap udara dari luar dan masuk kedalam tangki. Hal ini dapat

menyebabkan minyak terkontaminasi oleh kelembaban udara. Untuk menghindari hal

tersebut maka diujung pipa penghubung udara luar dilengkapi dengan alat penghisap

kelembaban, yaitu silica gel, berupa tabung berisi Kristal zat hygroskopis.

Silica gel mempunyai batasan kemampuan untuk menyerap uap air. Apabila

silica gel sudah jenuh dengan uap air, maka tidak bisa lagi menyerap air. Hal tersebut

dapat ditandai dengan berubahnya warna silica gel. Pada kondisi masih mampu

menyerap air, warna silica gel adalah biru tua. Semakin berkurang kemampuannya,

warnanya akan berubah menjadi bening.

3 Tap Changer

18

Gambar 2.7 Air Breather

Tap changer adalah alat perubah perbandingan transformasi untuk

mendapatkan tegangan operasi sekunder yang lebih baik (diinginkan) dari tegangan

jaringan / primer yang berubah-ubah. Untuk memenuhi kualitas tegangan pelayanan

sesuai kebutuhan konsumen (PLN Distribusi), tegangan keluaran (sekunder)

transformator harus dapat dirubah sesuai keinginan. Untuk memenuhi hal tersebut,

maka pada salah satu atau pada kedua sisi belitan transformator dibuat tap (penyadap)

untuk merubah perbandingan transformasi (rasio) trafo.

Tap changer yang dapat dioperasikan ketika berbeban atau trafo yang sedang

beroperasi disebut dengan on load tap changer sedangkan off load tap changer hanya

dapat diopersikan ketika trafo tidak sdeang beroperasi.

Gambar 2.8 Off Load Tap Changer

19

c. Indikator-indikator ( berguna untuk mengawasi trafo selama sedang

beroperasi) :

1. Thermometer

Adalah alat pengukur tingkat panas dari trafo baik panasnya kumparan primer

dan sekunder juga minyak. Thermometer ini bekerja atas dasar air raksa (mercuri/Hg)

yang tersambung dengan tabung pemuaian dan tersambung dengan jarum indikator

derajat panas. Beberapa thermometer dikombinasikan dengan panas dari resistor

khusus yang tersambung dengan CT yang terpasang pada salah satu fasa (fasa tengah)

dengan demikian penunjukan yang diperoleh adalah relatif terhadap kebenaran dari

panas yang terjadi.

Gambar 2.9 Oil or Winding

2. Permukaan Minyak

Permukaan Minyak adalah alat penunjukan tinggi permukaan minyak yang

pada konservator. Ada beberapa jenis seperti penunjukan lansung yaitu dengan cara

memasang gelas penduga pada salah satu sisi konservator sehingga akan mudah

mengetahui level minyak. Sedangkan jenis lain jika konservator dirancang

sedemikian rupa dengan melengkapi semacam balon dari bahan elastis dan diisi

20

dengan udara biasa dan dilengkapi dengan alat pelindung seperti pada sistem

pernapasan sehingga pemuaian dan penyusutan minyak udara yang masuk kedalam

balon dalam kondisi kering dan aman.

2.1.1.3 Jenis – jenis Gangguan pada Transformator

Dalam masa kerjanya atau saat beroperasi meskipun mempunyai proteksi

(pengaman), trafo bisa saja megalami beberapa gangguan yang dikarenakan beberapa

sebab baik berasal dari dalam trafo tersebut maupun dari luar trafo tersebut yang

dibatasi oleh wilayah kerja proteksi masing – masing.

Berdasarkan penyebab / sumbernya gangguan - gangguan tersebut dapat

berupa :

a. Gangguan di Luar Daerah Pengaman

Merupakan gangguan yang terjadi diluar daerah proteksi transformator.

Umumnya gangguan ini terjadi pada jaringan yang dirasakan dan berdampak

terhadap ketahanan kumparan primer maupun sekunder/tersier transformator.

Fenomena gangguan ekternal seperti :

1. Hubung singkat pada jaringan sekunder (penyulang) atau tersier yang

menimbulkan through fault current. Frekuensi gangguan dan besaran arus

gangguan diprediksi akan mengurangi umur operasi trafo.

2. Pembebanan lebih (overload).

3. Overvoltage akibat surja hubung atau surja petir.

4. Under atau overfrequency akibat gangguan sistem.

5. External system short circuit.

6. Gangguan yang berasal dari alam misalnya, petir, angin, hujan dsb.

7. Gangguan yang disebabkan kesalahan penanganan oleh manusia (operator)

seperti : menggali jalan tanpa memperhatikan jalur saluran kabel.

21

b. Gangguan di Dalam Daerah Pengaman

Merupakan gangguan yang terjadi didalam daerah yang diproteksi, yaitu :

1. Kegagalan isolasi pada belitan, lempengan inti atau baut pengikat inti atau

penurunan nilai isolasi minyak yang dapat disebabkan oleh kualitas minyak

buruk, tercemar uap air dan adanya dekomposisi karena overheating, oksidasi

akibat sambungan listrik yang buruk.

2. Kebocoran minyak

3. Ketidaktahanan terhadap arus gangguan (electrical dan mechanical stresses).

4. Gangguan pada tap changer

5. Gangguan pada sistem pendingin

6. Gangguan pada bushing

Berdasarkan sifatnya gangguan dapat dibagi atas 2, yaitu :

a. Gangguan Kontemporer

Gangguan kontemporer yaitu gangguan dimana setelah gangguan tersebut

hilang tidak ada terjadi kerusakan pada peralatan, misalnya gangguan pada saluran

transmisi, ranting menyentuh jaringan distribusi.

b. Gangguan Permanen

Gangguan permanen adalah gangguan dimana setelah gangguan tersebut

hilang masih terdapat kerusakan sehingga perlu perbaikan.

2.1.2 Proteksi Transformator Tenaga

Sistem proteksi merupakan bagian penting dalam suatu instalasi tenaga listrik,

karena merupakan suatu perangkat yang berfungsi meminalisir, mencegah,

mengurangi, maupun melokalisasi gangguan baik yang berasal dari dalam (internal)

maupun dari luar.

22

2.1.2.1 Fungsi Sistem Proteksi Transformator

Fungsi sistem proteksi adalah melepaskan dengan cepat berbagai elemen

sistem listrik dari pelayanan pada saat sistem tersebut mengalami gangguan atau pada

saat beroperasi pada kondisi yang tidak normal, sehingga dapat menyebabkan

kerusakan atau bahkan mengganggu operasi efektif yang normal. Peralatan proteksi

yang bertugas untuk tujuan ini dilakukan oleh relai dan dibantu oleh pemutus daya

(PMT) yang akan memutuskan elemen dan operasi berhenti.

Secara sederhana fungsi sistem pengaman adalah mendeteksi perubahan

parameter sistem, mengevaluasi besar perubahan parameter dan membandingkan

dengan besaran dasar yang telah ditentukan sebelumnya, untuk selanjutnya memberi

perintah kepada peralatan untuk melakukan proses switching yang berfungsi

menghubungkan atau memisahkan bagian – bagian tertentu sistem dari sumber daya.

Secara garis besar fungsi sistem pengaman adalah :

Melindungi elemen sistem tenaga terhadap gangguan yang terjadi dalam

sistem agar tidak sampai mengalami kerusakan.

Meminalisir gangguan, agar tidak meluasnya di dalam sistem sehingga bagian

yang tidak mengalami gangguan tetap mendapatkan suplai tenaga listrik.

Gangguan yang terjadi dalam sistem tenaga listrik, jika dibiarkan berlansung

lama pada suatu sistem tenaga akan memberikan pengaruh – pengaruh yang

merugikan seperti :

a. Berkurangnya batas – batas kestabilan untuk sistem tenaga listrik.

b. Rusaknya peralatan yang berada dekat dengan gangguan disebabkan oleh arus

yang besar, arus tak seimbang (baik berupa gangguan hubungan singkat

maupun rangkaian terbuka).

c. Ledakan – ledakan yang mungkin terjadi pada peralatan – peralatan yang

banyak mengandung minyak isolasi yang dapat memicu kebakaran.

23

2.1.2.2 Jenis – Jenis Sistem Proteksi Transformator

Secara garis besar sistem proteksi dapat dibagi atas tiga yaitu :

Proteksi utama ( main protection), merupakan proteksi utama yang terdapat

serta bekerja dengan cepat dan selektif terhadap gangguan yang terjadi pada

daerah yang diproteksi

Proteksi Cadangan (back up protection), berfungsi jika pengaman utama

mengalami kegagalan dalam mengamankan dari gangguan.

Proteksi Tambahan (auxulary), berfungsi untuk menguatkan / membantu

proteksi utama.

2.1.3 Relai Pengaman

Relai berfungsi untuk menunjukkan lokasi dan macam gangguannya sehingga

memudahkan evaluasi pada saat terjadi gangguan.

Pada prinsipnya relai pengaman yang terpasang pada sistem tenaga listrik

mempunyai tiga macam fungsi, yaitu :

1. Mendeteksi, mengukur dan menentukan bagian sistem yang terganggu serta

memisahkan secepatnya.

2. Mengurangi kerusakan yang lebih parah dari peralatan yang terganggu.

3. Mengurangi pengaruh gangguan terhadap bagian sistem yang lain yang tidak

terganggu di dalam sistem tersebut dan dapat beroperasi normal serta mencegah

meluasnya gangguan.

2.1.3.1 Klasifikasi Relai Pengaman

Klasifikasi dari relai pengaman :

1. Berdasarkan Besaran Input

a. Arus (I) : Over Current Relay (OCR)

Under Current Relay (UCR)

b. Tegangan (V) : Over Voltage Relay (OVR)

Under Voltage Relay (UVR)

24

c. Frekuensi (F) : Over Frekwensi Relay (OFR)

Under Frekwensi Relay (UFR)

d. Impedansi (Z) : Relai jarak (Distance)

e. Beda arus : Differential Relay

2. Berdasarkan Karakteristik Waktu Kerja

a. Seketika (instant Relay)

b. Penundaan waktu (time relay)

Definite time relay

Inverse time relay

c. Kombinasi instan dengan tunda waktu

3. Berdasarkan Jenis Kontak

a. Relai dengan kontak dalam keadaan normal terbuka (normally open

contact).

b. Relai dengan kontak dalam keadaan normal tertutup (normally close

contact).

4. Berdasarkan Fungsi

a. Relai proteksi

b. Relai monitor

c. Relai programming

- Reclosing relay

- Synchro check relay

d. Relai pengaturan (regulating relay)

e. Relai bantu

- Sealing unit

- Lock out relay

- Closing relay

25

2.1.3.2 Jenis – jenis Relai Proteksi pada Transformator

a. Relai Differential

Relai differensial merupakan pengaman utama pada transformator daya (trafo

tenaga). Relai ini sangat selektif sehingga bekerja tanpa koordinasi dengan relai

lainnya, dan bekerja sangat cepat tanpa waktu tunda. Relai differensial digunakan

sebagai pengaman utama untuk generator, transformator tenaga, busbar, motor listrik

kapasitas besar.

b. Restriched Earth Fault (REF)

Restriched Earth Fault (REF) mengamankan transformator bila ada gangguan

satu fasa ke tanah di dekat titik netral transformator yang tidak dirasakna oleh relai

differential.

Berfungsi untuk membantu relai differential dalam mengamankan dari

gangguan hubungan tanah di dalam belitan trafo. Relai ini diperlukan karena

sensitifitasnya sangat terbatas, terutama dalam mendeteksi terjadinya hubungan

singkat di dekat titik netral.

c. Relai Bucholz (Relai Deteksi Gas)

Penggunaan relai bucholz pada Transformator yang terendam minyak adalah

untuk mengamankan transformator dari gangguan yang dapat menimbulkan gas di

dalam transformator. Gas-gas tersebut dikumpulkan pada ruangan relai dan akan

mengerjakan kontak-kontak alarm.

Gas yang timbul diakibatkan karena :

1. Hubungan singkat antar lilitan/dalam phasa

2. Arcing

3. Partial Discharge

4. Hubungan singkat antar phasa

5. Hubungan singkat antar phasa ke tanah

26

6. Busur api listrik antar laminasi

7. Busur listrik karena kontak yang kurang baik

Relai deteksi gas juga dapat tanggap terhadap tingginya ketidaknormalan

aliran minyak yang timbul pada waktu transformator terjadi gangguan serius.

Peralatan ini akan menggerakkan kontak trip yang terhubung dengan rangkaian trip

pemutus arus dari instalasi transformator tersebut.

d. Relai Jansen

Digunakan untuk mengamankan ruang OLTC. Terdapat beberapa jenis antara

lain sama seperti relai bucholz tetapi tidak ada kontrol gas, jenis tekanan ada yang

menggunakan membran/selaput timah yang lentur sehingga bila terjadi perubahan

tekanan karena gangguan relai akan berkerja, relai jansen tidak menggunakan alarm

tapi langsung trip dan dengan prinsip yang sama dengan relai buhcoltz hanya

menggunakan pengaman tekanan atau saklar tekanan.

e. Pengaman Tekanan Lebih (Explosive Membrane)/Bursting Plate

Adalah relai yang bekerja karena tekanan lebih akibat gangguan didalam

trafo, dapat mengamankan tangki transformator terhadap kenaikan tekanan gas yang

timbul dalam tangki (yang akan pecah pada tekanan tertentu) dan kekuatannya lebih

rendah dari kekuatan tangki transformator. Alat ini berupa membran yang terbuat dari

kaca, plastik, tenbaga, atau katup berpegas. Jika tekanan ini melebihi kemampuan

membran yang terpasang maka membran akan pecah dan minyak karena tekanan

tinggi akan keluar dari dalam trafo.

f. Relai tekanan lebih (Sudden Pressure Relay)

Relai tekanan lebih berfungsi untuk mengamankan transformator terhadap

tekanan lebih yang terjadi mendadak di dalam tangki transformator dan lansung

menjatuhkan PMT. Misalnya flash over atau hubung singkat yang timbul pada

transformator yang terendam minyak, akan berkaitan dengan tekanan lebih didalam

27

tangki, karena gas terbentuk oleh dekomposisi dan evaporasi minyak.. Apabila

tekanan lebih ini tidak dapat dieliminasi dalam waktu beberapa millidetik, tangki

trafo akan meledak dan terjadi panas lebih pada cairan.

g. 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 dan lain-lain. Arus ini sebagai pengganti relai

differensial sebab sistem relai pengaman tangki biasanya dipasang pada trafo yang

tidak dilengkapi trafo arus disisi primer dan biasanya pada trafo dengan kapasitas

kecil.

Trafo dipasang diatas 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 CT antara 300 s.d. 500 dengan sisi sekunder hanya 1 Ampere.

h. Over Current Relai ( OCR)

Relai arus lebih, merupakan relai pengaman yang bekerja karena adanya

besaran arus dan terpasang pada jaringan tegangan tinggi, tegangan menengah juga

pada pengaman trafo tenaga.

Relai ini berfungsi untuk mengamankan peralatan listrik akibat adanya

gangguan fasa – fasa.

i. Ground Fault Relay (GFR)

Relai Hubung Singkat (GFR), merupakan pengaman yang bekerja apabila

terjadi gangguan fasa tanah ( salah satu fasa berdempetan dengan netral).

28

2.2 Protection Generator Transformer 140 MVA

2.2.1 Generator Transformer

Generator transformer berfungsi menaikkan tegangan pembangkitan 11,5 kV

menjadi 157,5 kV yang dipasok pada bus A dan B yang berhubungan langsung

dengan saluran transmisi, pada sistem interkoneksi se - Sumatra.

Pada PLTU Sektor Pembangkitan Ombilin terdapat dua buah trafo generator.

Tulisan ini hanya akan membahas generator transformer #1 11,5/157,5 kV 140 MVA

dengan merek GEC ALSTHOM. Data-data generator transformer adalah sebagai

berikut :

Tabel 2.2 Sfesifikasi Generator Transformer

No Nama Keterangan

1

2

3

4

5

6

7

8

Jumlah fasa

Frekuensi

Impedansi

Daya pengenal

Tegangan sisi tinggi

Tegangan sisi rendah

Arus nominal sisi 157,5 kV

Arus nominal sisi 11,5 kV

3 fasa

50 Hz

12,83 %

140 MVA

157,5 kV

11,5 kV

513,2 Ampere

7028 Ampere

29

1. Off Circuit Tapping Switch

Tabel 2.3 Pengaturan Tap

Tap Position

Number

Switch

Connections

High Voltage Across Low Voltage Across

RII SII TII r2 s2 t2

kV Amps kV Amps

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

173,25

169,31

165,38

161,44

157,50

153,56

149,63

145,69

141,75

466,5

477,4

488,8

500,7

513,2

526,4

540,2

554,8

570,2

11,50 7028

2. Sistem Pendingin

Ada tiga jenis sistem pendinginan pada trafo generator yaitu ONAN (Oil

Normal Air Normal), ONAF (Oil Normal Air Force), dan OFAF (Oil Force Air

Force). Sistem pendinginan trafo berasal dari radiator, yang mengsirkulasikan air

lewat pipa dengan diameter 200 mm. Dibawah radiator ada fan yang berfungsi untuk

menghembuskan udara paksa untuk pendinginan trafo.

3. Indikator Suhu Lilitan Tegangan Tinggi

ONAF 14,50C pada 3,80 ampere

OFAF 130C pada 4,75 ampere

Setting :

Fans IN / OUT 750C / 500C

Pump IN / OUT 800C / 550C

30

Alarm 1050C

Trip 1200C

4. Indikator Suhu Minyak

Setting :

Alarm 900C

Trip 1050C

5. Trafo Arus

a. Penempatan : Bushing tegangan tinggi

Penggunaan : Pengaman differensial bias

Rasio : 1000/1

VA : 30

Kelas : 5P20

Nomor : 3

b. Penempatan : Bushing tegangan tinggi

Penggunaan : Impedansi rendah

Rasio : 1000/1

VA : 30

Kelas : 5P20

Nomor : 3

c. Penempatan : Bushing tegangan tinggi

Penggunaan : Pengukuran

Rasio : 600/5

VA : 30

Kelas : 0,2

Nomor : 3

d. Penempatan : Bushing tegangan tinggi

Penggunaan : Indikator suhu lilitan tegangan tinggi

Rasio : 600/5

31

VA : 30

Kelas : 5

Nomor : 3

e. Penempatan : Bar Cleat tegangan tinggi

Penggunaan : Pengaman differensial bias

Rasio : 8000/5

VA : 30

Kelas : 5P20

Nomor : 3

f. Penempatan : Bar Cleat netral

Penggunaan : Pemantau arus

Rasio : 600/5

VA : 30

Kelas : 0,5

Nomor : 3

2.2.2 Differential Protection Generator Transformer 140 MVA

Relai Differential

Relai differential merupakan pengaman utama pada transformator daya (trafo

tenaga). Relai ini sangat selektif sehingga bekerja tanpa koordinasi dengan relai

lainnya, dan bekerja sangat cepat tanpa waktu tunda. Relai differential digunakan

sebagai pengaman utama untuk generator, transformator tenaga, busbar, motor listrik

kapasitas besar.

Sifat Khusus Relai Differential

Sangat selektif dan cepat

Sebagai pengaman utama

Tidak dapat digunakan sebagai pengaman cadangan

32

Bekerja berdasarkan perbedaan arus yang melewati CT, yang dibantu

oleh ACT (auxiliary CT). fungsinya untuk:

1. Mencocokan jumlah arus yang masuk / keluar, ke / dari relai

differential pada masing – masing sisi kumparan CT

2. Mencocokan pergeseran fasa dari arus-arus akan masuk ke relai

3. Mengkoreksi perbedaan rasio CT

4. Sebagai kompensasi arus netral

Daerah pengamanannya (daerah kerjanya) dibatasi oleh trafo arus (CT)

Prinsip Kerja Relai differential

Fungsi relai differential pada trafo tenaga adalah mengamankan transformator

dari gangguan hubung singkat yang terjadi di dalam transformator, antara lain hubung

singkat antara kumparan dengan kumparan atau antara kumparan dengan tangki.

Relai ini harus bekerja kalau terjadi gangguan di daerah pengamanannya yaitu dari

CT pada kumparan primer trafo sampai CT pada kumparan sekunder trafo dan tidak

boleh bekerja dalam keadaan operasi normal atau terjadinya gangguan di luar daerah

pengamanannya. Relai ini bekerja berdasarkan Hukum Kirchof, dimana arus yang

masuk pada suatu titik, besarnya sama dengan arus yang keluar dari titik tersebut.

Gambar 2.10 Hukum Kirchoff I

Relai differential bekerja dengan mengidentifikasi arus yang melewati ACT

(auxulary current transformer) yang terletak pada CT (Current Transformer)

kemudian membandingkan arus yang masuk ke kumpraran primer CT dengan yang

33

keluar pada kumparan sekunder CT tersebut. Jika terdapat perbedaan besarnya arus

maka relai differential akan bekerja ( mentripkan PMT).

Gambar 2.11 Wilayah Kerja Relai Differential

Ketidakseimbangan arus sekunder dengan primer pada CT dapat disebabkan :

a) Pengaruh kejenuhan dari CT utama dan ACT

Kejenuhan CT utama dan ACT dapat mengakibatkan arus sekunder yang

melalui relai tidak sama. Karena saat CT dan ACT jenuh, ia tak dapat merasakan

besarnya arus yang lewat.

b) Pengaruh tap ACT

Adanya arus ketidakseimbangan dapat terjadi karena tap dari ACT tidak

mempunyai harga tepat sesuai dengan kenyataan pembebanannya.

c) Pengaruh dari tap changer

Dengan adanya OLTC (On Load Tap Changer) pada trafo daya, maka pada

waktu beroperasi perbandingan transformasinya selalu berubah-ubah sesuai dengan

tegangan yang masuk.

Sedangkan tap dari ACT tetap pada harga tertentu, sehingga pada waktu

beroperasi jika OLTC berubah pada kedudukan lain, maka akan terjadi arus sirkulasi

pada relai differential.

Bentuk Proses Kerja Relai Differential

Relai differential dalam keadaan normal

Adalah keadaan relai yang tidak bekerja dalam keadaan tidak ada gangguan,

dengan syarat :

34

1. CT primer dan CT sekunder maupun ACT nya yang mempunyai rasio

sedemikian rupa harus mengalirkan arus dengan jumlah sama. (hukum kirchoff 1)

2. Sambungan dan polaritas CT primer dan CT sekunder maupun ACTnya harus

benar.

3. Karakteristik ke dua trafo arusnya sama

Relai differential pada saat terjadi gangguan di dalam trafo

Gambar 2.12 prinsip kerja relai differensial saat gangguan di dalam

Jika terjadi gangguan pada sisi sekunder trafo, sehingga menyebabkan

perbedaan arus pada kumparan primer trafo dengan kumparan sekunder trafo. Relai

differential akan bekerja dengan mentripkan PMT.

Relai differential pada saat terjadi gangguan di luar trafo

Jika terjadi gangguan diluar sisi sekunder trafo, ini tidak menyebabkan

perbedaan arus pada kumparan primer trafo dengan kumparan sekunder trafo. Jadi

relai differential tidak akan bekerja dengan mentripkan PMT.

35

Gambar 2.13 Prinsip kerja relai differensial saat gangguan di luar trafo

B = ACT

R = relai Differential

Faktor yang mempengaruhi kerja relai differential:

1. Harmonic

Dipengaruhi oleh :

Switching trafo tanpa beban

Energize shunt reaktor pada busbar bertegangan

Adanya inrush current

2. Inrush Current

Adalah Jika trafo daya dihubungkan kesuatu sumber tenaga (jaringan) maka

pada sisi primernya akan terjadi proses transient yaitu menaiknya arus yang

dinamakan arus magnetisasi (magnetising inrush current) yang besarnya dapat

mencapai 8 sampai 30 kali dari arus beban penuh yang terjadi dalam waktu

relatif cepat. Peristiwa ini dapat membawa pengaruh terhadap kerja suatu relai

kendatipun pada daerah pengamanan tidak terjadi kesalahan. Penyebabnya adalah :

Overexsitasi trafo

Perubahan arus magnetisasi yang disebabkan kenaikan tegangan atau

penurunan frekuensi

Karakteristik operasi Relai differential

Relai ini merupakan unit pengamanan dan mempunyai selektifitas mutlak.

Karakteristik differential dibuat sejalan dengan unbalances current (Iμ), untuk

menghindari terjadinya kesalahan kerja. Kesalahan kerja disebabkan karena ratio CT

mismatch, adanya pergeseran fasa akibat belitan transformator tenaga yang terhubung

(Y) – (∆).

36

Perubahan tap tegangan (perubahan posisi tap changer) pada transformator

tenaga oleh Off Load Tap Changer (OLTC) yang menyebabkan CT mismatch juga

ikut berubah. Kesalahan akurasi CT, perbedaan kesalahan CT di daerah jenuh

(saturasi CT), dan inrush current pada saat transformator energize menimbulkan

unbalances current (Iμ) yang bersifat transient.

Untuk mengatasi masalah unbalances current (Iμ) pada relai differensial yaitu

dengan menambahkan kumparan yang menahan bekerjanya relai di daerah

unbalances current (Iμ). Kumparan ini disebut restraining coil, sedangkan kumparan

yang mengerjakan relai tersebut di sebut operating coil.

Arus differensial didapat dari menjumlahkan komponen arus sekunder per

fasa di belitan primer dan sekunder secara vektor.

Jika arus berlawanan dalam arti yang satu menuju relai dan yang lainnya

meninggalkan relai, maka akan saling mengurangi dan sebaliknya jika arus searah

berarti yang kedua – duanya menuju atau meninggalkan relai, maka akan saling

menjumlahkan.

37

Gambar 2.14 Prinsip Pengoperasian Relai Differential

%Slope = I d

I H

× 100%

Arus penahan (restrain) didapat dari arus maksimal komponen arus sekunder

per fasa di belitan 1(|I 1

→|), dan belitan 2 (|I 2

→|)Irestrain = Ir

= max (|I 1

→|) ,(|I 2

→|)Slope didapat dengan membagi antara komponen arus differensial dengan

arus penahan. Slope 1 akan menentukan arus differensial dan arus penahan pada saat

kondisi normal dan memastikan sensitifitas relai pada saat gangguan internal dengan

arus gangguan yang kecil.

Sedangkan slope 2 berguna supaya relai tidak bekerja oleh gangguan eksternal

yang berarus sangat besar sehingga salah satu CT mengalami saturasi ( diset dengan

slope lebih dari 50%)

Gambar 2.15 Karakteristik Pengoperasian Relai

Wiring Relai Differential

Pada wiring relai differensial perlu diperhatikan beberapa hal berikut:

1) Besarnya arus yang masuk dan keluar dari relai differential harus sama

2) Fasa arus yang masuk dan yang keluar dari relai harus sama atau berlawanan

38

Persyaratan pengawatan suatu proteksi differential untuk trafo dapat dilihat

pada table berikut :

Tabel 2.4 Hubungan CT trafo tenga dengan ACT

Hubungan Trafo

Daya

Hubungan CT Hubungan ACT

Primer Sekunder

Y Y Y ∆

∆ Y Y Y

Jika trafo daya di hubungkan bintang (Y), maka CT dan ACT primer

dihubungkan bintang sedangkan ACT sekunder dihubungkan segitiga (∆). Dan

apabila trafo dayanya dihubungkan segitiga maka CT, ACT primer dan ACT

sekunder dihubungkan bintang.

2.3 Analisa

2.3.1 Perhitungan Setting Relai Differential Transformator 140 MVA

Pemilihan CT Ratio

Pemilihan CT disesuaikan dengan alat ukur dan proteksi. Pemilihan CT

dengan kualitas baik akan memberikan perlindungan sistem yang baik pula. Relai

diferensial sangat tergantung terhadap karakteristik CT.

Jika karakteristik CT bekerja dengan baik, maka sistem akan terlindungi

oleh relai diferensial ini secara optimal. CT ditempatkan dikedua sisi peralatan

yang akan diamankan oleh transformator tenaga.

CT ratio untuk relai differential yang dipilih sebaiknya memiliki nilai

yang mendekati nilai Irating.

¿= SkV x √3

39

Dimana :

In : arus nominal (A)

S : Daya yang tersalur

(MVA

Dari persamaan diatas, arus nominal dikedua sisi transformator adalah sebagai

berikut :

¿ sisi157,5 kV = 140 MVA157,5 kV x √3

=513,2 A

¿ sisi11,5kV = 140 MVA

11,5kV x √3=7028 A

Jika transformator dapat menarik beban lebih hingga 110% dari

kapasitasnya, selama temperatur belitan dibawah temperatur maksimumnya.

I rating=110 % x∈¿

I rating Primer CT sisi157,5 kV =110% x 513,2 A=564,52 A

I rating Primer CT sisi11,5kV =110% x7028 A=7730,8 A

Maka perbandingan ratio trafo arus (CT ratio) dapat dihitung dari nilai arus

rating dikedua sisi tegangan transformator tenaga tersebut dan disesuaikan

dengan spesifikasi CT ratio yang ada dipasaran sedangkan nilai sekunder CT (5A

atau 1A) disesuikan dengan peralatan proteksinya.

Untuk CT ratio sisi 157,5 kV (CT 1 )=1000 :1=1000

Dan

Untuk CT ratio sisi 11,5kV (CT 2 )=8000: 5=1600

Tap Auxillary

Auxillary CT adalah CT bantu yang berguna untuk menyesuaikan besar arus

yang masuk ke relai diferensial akibat proses pergeseran fasa oleh transformator

tenaga dan beda tegangan primer dan sekunder transformator tenaga.

Untuk pemilihan tap auxillary CT sama dengan CT dan penempatan CT

auxillary diletakkan pada sisi 11,5 kV yang CT dihubung delta untuk

menghilangkan arus urutan nol dan menyamakan fasa.

Untuk menghitung nilai tap ratio dari Auxillary CT di mulai dari arus

nominal sekunder CT yang tidak dihubungkan Δ, yang untuk transformator ini 40

ada di sisi 157,5 kV. Pada sisi tegangan 157,5 kV ini menggunakan ratio CT

=1000 : 1 sehingga:

I 11,5kV=157,5 kV11,5 kV

x 1000=13695,65 A

Arus yang mengalir di sisi sekunder CT2 adalah:

I(CT 2)=5 A

8000 Ax 13695,65=8,62 A

Karena Sekunder CT2 di hubung Δ , maka arusnya menjadi:

I ∆=I x

¿8,62 A x√3=14,93 A

Maka tap auxillary yang dipilih adalah 14,93 : 5

Setelan Relai Differential

Diatas telah dihitung nilai CT ratio pada kedua sisi transformator tenaga,

maka sekarang dapat dihitung di hitung nilai arus diferensial (Id) dan arus

restraint (Ir) kemudian didapat nilai Setting Arus(I set).

Relai diferensial hanya akan beroperasi saat ada gangguan didalam

transformator dan tidak beroperasi saat keadaan gangguan diluar dan keadaan

normal.

Error Mismatch

Meskipun dari perhitungan telah di dapat ratio CT. Pada sisi 157,5 kV (CT1)

= 1000 : 1, dan pada sisi 11,5 kV (CT2) = 8000 : 5. Nilai CT ratio yang dipilih ini

adalah sesuai dengan CT yang ada dipasaran. Karena adanya perbedaan ini maka

akan terjadi kesalahan dalam membaca perbedaan arus dan tegangan di sisi

primer dan sekunder transformator tenaga serta pergeseran fasa di trafo arus

kesalahan ini disebut mismatch error.

Pada relai diferensial untuk melihat mismatch error didapat dari

perbandingan CT dengan tegangan pada persamaan dibawah ini :

41

CT 2

CT 1

=V 1

V 2

Untuk menghitung error mismatch sebelumnya terlebih dahulu

menghitung nilai CT yang ideal di salah satu sisi transformator tenaga, misal

untuk sisi 11,5 kV (CT2) dengan persamaan :

CT 2 (ideal )=CT1 xV 1

V 2

Dimana :

CT1 : current transformer pada sisi primer

CT2 : current transformer pada sisi sekunder

V1 : tegangan di sisi primer (KV)

V1 : tegangan di sisi sekunder (KV)

CT 2 ( ideal )=10001

x157,5 kV11,5kV

Maka ratio CT2 di sisi 11,5 kV saat maxsimum load adalah = 13695,65 : 5

Ratio CT yang digunakan di sisi 11,5 kV adalah 8000 : 5, sedangkan

idealnya CT untuk sisi 11,5 kV adalah 13695,65 : 5 . Maka, error mismatch didapat

dari perbandingan antara CT ideal dengan CT yang ada dipasaran. Error mismatch

untuk relai diferensial adalah:

CT Ideal

CT 2

%=13695,658000

¿1,71 %

Kesalahan relai diferensial dalam mengamankan transformator dari gangguan

adalah sebesar 1,71 % .Untuk memperbaiki error mismatch pada relai diferensial ini

dapat dilakukan dengan menaikkan atau menurunkan tap pada CT. Error mismatch

diharapkan nilainya sekecil mungkin agar proteksi relai diferensial bekerja secara

optimal dalam mengamankan transformator tenaga. Dengan syarat kesensitifan

42

relai diferensial dalam pengoperasian Mismatch error tidak boleh lebih dari 5%.

Syarat ini ditentukan untuk proteksi agar optimal menjaga sistem tenaga listrik dari

gangguan.

43