STUDI PERKIRAAN UMUR TRANSFORMATOR DISTRIBUSI 160 kVA MENGGUNAKAN METODE TINGKAT TAHUNAN PADA PT.PLN (PERSERO) APJ CIREBON

Anggi AdipriyatnaMahasiswa Jurusan Teknik Elektro Universitas 17 Agustus 1945 Cirebon

Fakultas Teknik Universitas 17 Agustus 1945 Cirebone-mail: Anggiadip@gmail.com

AbstrakSistem 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.

PENDAHULUAN1.1 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 PUSTAKA1.2 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 TransformatorApabila kumparan primer dihubungkan

dengan tegangan sumber, maka akan mengalir arus bolak balik I1 pada kumparan tersebut. Oleh karena kumparan mempunyai inti, arus I1

menimbulkan fluks magnit yang juga berubah-

ubah pada inti trafo[4].

Gambar 1.2. Prinsip Kerja Transformator

Akibat ada fluks magnit yang berubah-ubah, pada kumparan akan timbul GGL induksi Ep. Besar GGL induksi pada kumparan primer adalah:

Ep = -Npd φdt volt ............................(1)

dimana :Ep : GGL induksi pada kumparan primerNp : jumlah lilitan kumparan primerdφ : perubahan garis- garis gaya magnit

dalam satuan weber ( 1 weber = 108 maxwell )

dt : perubahan waktu dalam satuan detik

Es = -NS d φdt volt ...........................(2)

dimana :NS : jumlah lilitan kumparan sekunder.

Tipe pemasangan transformator distribusi:

1. Transformator untuk instalasi gardu cantol

2. Transformator untuk instalasi gardu portal3. Transformator untuk instalasi gardu beton

1.4 Karakteristik Beban1.4.1 Pembebanan Transformator

Perhitungan Arus Beban Penuh Transfomator:

IFL = S

√3 x V ...................................(3)

dimana:IFL : Arus beban penuh (A)

S : Daya transformator (kVA)V : Tegangan sisi sekunder transformator

(kV)

1.4.2 Faktor Penilaian Beban1. 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)

1.5 Pendingin TransformatorTabel 1.1. Macam Pendingin (Minyak) Pada

Transformator

NO

Macam sistem

pendingin

Media

Dalam transformator Luar transformator

Sirkkulasi alamiah

Sirkulasi paksa

Sirkulasi

alamiah

Sirkulasi paksa

1 AN - - udara -2 AF - - - Udara3 ONAN Minyak - Udara -4 ONAF Minyak - - Udara5 OFAN - Minyak Udara -6 OFAF - Minyak - Udara7 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

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

< 72,5 72,5 to 170 > 170

Appereance Clear, free from sediment and suspended matter

Colour (on scale given in ISO 2049) Max 2.0 Max 2.0 Max 2.0

Breakdown voltage > 55 > 60 > 60

(KV)Water content

(mg/kg)a 20b < 10 < 10

Acidity (mg KOH/g) Max 0.03

Max 0.03

Max 0.03

Dielectric dissipation factor at 900 and 40

hz to 60 Hz

Max. 0.015

Max. 0.015

Max. 0.010

Resistivity at 900C (GΩm) Min. 60 Min. 60 Min. 60

Oxidation stability As specified in IEC 60296Interfacial tension

(mN/m) Min. 35 Min. 35 Min. 35

Total PCB content (mg/kg) Not detectable (< 2 total)

ParticlesSee

table B 1d

1.5.1 Kenaikkan Temperatur Top OilKenaikkan temperatur ini sepadan

dengan kenaikkan temperatur top oil pada nilai daya yang dikalikan rasio dari total kerugian dengan eksponen x[5].

Δbr = Δθbr + ( 1+k2

1+d )x

.....................(4)

Keterangan:K = Rasio pembebanand =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 SpotKenaikkan temperatur hotspot Δθc untuk

beban yang stabil dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut[5]:Δθc = θb + (θcr – θbr ) k2y

θc = Δθbr + [ 1+d K2

1+d ] + (Δθcr – Δθbr) K2y .. (5)

Keterangan:Δθcr = 780CK = rasio pembebanany = Konstanta

y = 0,8 (ONAN dan ONAF)x = 0,9 (ONAN dan OFWF)

1.6 Besaran PersatuanDi 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 sebenarnyaBesarandasar dengandimensi yang sama

1.7 Hukum DeteriorationArrhenius:

= log RB/ log R) x log-1 [6250( 1TB

− 1T 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 [ P2 Q+1Q+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 [ PB2 QB+1QB+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 PENELITIAN1.9 Alat dan BahanAlat:

1. Volt stick2. Ampere stick3. Buku catatan

Bahan:Transformator distribusi merek SINTRA 160 kVA.

2.0 Langkah Kerja

Gambar 2.3 Diagram Alir Penelitian

2.1 Data TransformatorSampel 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 BebanFaktor 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 lain-lain. Dan tempat penelitian tersebut adalah daerah mayoritas pemukiman rumah tangga.Tabel 1.3. Pengukuran Pembebanan Rata-rata

Dalam HariWaktu (t) I (A) Vp-n (V) Persen

(%)09.00-10.00 145,3 222,6 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 PEMBAHASANDiketahui data sebagai berikut:S = 160 kVAVs = 0,4 kV phasa – phasa

IFL = S

√3 x V =

160.000√3 x 400

= 230,94 Ampere

Irata siang = I R+ I s+ IT

3=

177,8+171,1+89,43

=146,1 Ampere

Irata malam = I R+ I s+ IT

3

= 253+251,9+151,2

3=¿ 218,7

Ampere

Irata pagi = I R+ I s+ IT

3

¿ 212+174,1+103,73

=¿ 163,3

AmperePresentase pembebanan transformator adalah:Pada siang hari 09.00-17.00:

I rata siang

I FL= 146,1

230,94 x 100% = 63,26 %

Pada malam hari 17.00–22.00:I ratamalam

I FL= 218,7

230,94 x 100% = 94,69 %

Pada pagi hari 03.00-09.00:I rata p agi

IFL= 163,3

230,94 x 100% = 70,71 %

Tabel 1.4. Pembebanan rata-rata trafo 160 kVA

JAM DAYA (kVA)

Vrata-

rata

Irata-

rata

(A)

Beban (%)

Waktu Operasi

09.00 s/d 17.00

160 222,1 146,1 63,26 Siang hari

17.00 s/d 24.00

160 219,6 218,7 94,69 Malam hari

17.00 s/d 09.00

160 221,8 163,3 70,71 Pagi hari

2.3 Perkiraan Umur Transformator2.3.1Menentukan Satuan Per-Unit (p.u)Diketahui: Data transformator SINTRA 160 kVADaya = 160 kVA ~ 0.16 MVAAsumsikan r = 8 % ~ 0,08 Menentukan satuan per-unit:

Zb ¿(tegangan dasar KV 11)

2

dayadasar , MVA 3∅❑ Ohm

¿ 202

0,16

= 4000,16 = 2500 Ω

Jadi, impedansi per satuan rangkaian menurut papan nama adalah:

Zpu = Z MVA3∅

(KV 11)2

Zpu = 2500 0,16202

= 1 p.uHarga dasar yang digunakan adalah:QB = 30PB = 1,8RB = 1,09N = 20 tahunNC = 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 PenelitianDengan 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

250160 = (1 + 0,08)n

1,56 = 1,08n

n =ln 1,56ln 1,08

= 5,78Jadi, periode changeout adalah 5,78.

Maka untuk menentukan kenaikan temperatur bagian teratas minyak pada beban penuh:Δθu = θ(fl) x θn ¿¿Δθu = 0.85 x 65 ¿¿

= 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

= 61,460CMenentukan rating transformator

menurut papan nama:T = θ0 + θg

=500C + 240C = 740CTB = Δθu + Δθh + T

= 139,23 + 61,46 + 74= 274,690C

Dengan menggunakan harga dasar yang digunakan, tentukan T total:Q = 3P = 1.8RB = 1,09R ( r + Zp.u): 0,08 + 1 = 1,08 Maka:Δθ0 = θ(fl) x θn ¿¿

= 0.85 x 65 ¿¿= 55,25 x 2,03= 112,20C

T = 740CTT = 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( 1TB

− 1T T )]

Ar = log 1,09log 1,08 x log-1

[6250( 1274,69

− 1247,66 )]

= 1,12 x 0,598 = 0,669Untuk 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 SARAN2.4 Kesimpulan1. 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 Saran1. 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 PUSTAKA1. 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://%2Fa62e9afb61d75a3eb9ee78c3c6515998.pdf&ei=tbUxVeyYE4GuATj. Diakses pada tanggal 13 maret 2015.

9. Tentang manajemen aset gardu distribusi trafodistribusi.http://www.academia.edu/4757950/MANAJEMEN_ASET_GARDU_DISTRIBUSI-Trafo_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.