POWER FACTOR VS TEMPERATURE CHARACTERISTICS

OF

POWER-TRANSFORMER INSULATIONOleh :

1. EMMY MUFLIHATUN ASANA

emmy@pln-jawa-bali.co.id

2. KUSUMA WIJAYANTHY

yanthy@pln-jawa-bali.co.id

PT. PLN (PERSERO) P3B JAWA BALI REGION JAWA TENGAH & DIY

ABSTRAK

Kegagalan yang terjadi pada peralatan tegangan tinggi dapat disebabkan karena

pemburukan isolasi (deterioration) ataupun karena kegagalan (breakdown) pada

bagian-bagiannya. Pengujian faktor daya adalah salah satu cara untuk mengetahui

pemburukan/proses kelemahan yang terjadi agar kegagalan operasi dapat

dihindarkan.

Mayoritas dari trafo yang diuji ditemukan perbedaan sampai 10oC (dari standar

20oC). Pada sebagian besar kasus dari trafo yang diuji, suhu akan lebih besar dari

20oC sehingga perlu diketahui tingkat akurasi koreksi suhu. Pengalaman

memperlihatkan bahwa hasil dari pengujian faktor daya tergantung pada suhu

sehingga dibutuhkan kajian lebih lanjut tentang karakteristik faktor daya vs suhu

dari suatu isolasi trafo.

Faktor koreksi suhu untuk faktor daya dari trafo yang terisolasi secara

keseluruhan telah disusun. Dalam tulisan ini akan dibahas hubungan antara faktor

daya isolasi dan suhu dari berbagai jenis trafo dengan hasil pengujian yang telah

diakumulasikan dalam Doble Test Assistant Office System Database di Doble

Company.

1 - 27

I. PENDAHULUAN

Faktor daya adalah suatu pengukuran listrik yang berkaitan dengan kehilangan

dielektrik dalam isolasi. Pengujian faktor daya isolasi sangat efektif untuk

memperkirakan tingkat kebasahan, kekeringan ataupun pemburukan pada isolasi

trafo. Pemburukan pada isolasi ini dapat disebabkan karena panas, kelembaban,

kerusakan mekanis, korosi kimiawi, korona ataupun tegangan lebih.

Pengujian faktor daya tergantung pada suhu. Untuk mendapatkan perbandingan

faktor daya dari sistem isolasi kertas dan minyak mineral yang dihasilkan dari

perbedaan suhu, perlu disusun faktor koreksi suhu dengan cakupan range dari

temperature pada tiap sistem isolasi yang umumnya diuji. Dimana suhu 20°C

digunakan sebagai suhu dasar untuk mengkoreksi faktor daya.

II. TEORI DASAR

Faktor Daya

Isolasi pada dasarnya adalah dua plat yang dipisahkan oleh satu atau lebih bahan

dielektrik. Plat yang satu berpotensial tinggi sedang plat lainnya berpotensial

rendah.

Gambar 2.1

Arus yang dihasilkan oleh kontaminasi kutub dalam bahan dielektrik digambarkan

sebagai Watts. Watts dapat diartikan sebagai berikut:

- adalah arus yang dihasilkan oleh kontaminasi kutub dalam bahan dielektrik

yang dipengaruhi oleh electrical stress

- adalah energi yang dikeluarkan akibat kontaminasi dalam bentuk PANAS

2 - 27

Panas/Watts

- adalah fungsi dari volume. Semakin besar isolasi semakin luas suatu daerah

yang menghasilkan watts (dari kontaminasi, pemburukan dan rugi-rugi)

Persamaan dasar:

Power = Voltage x Current x Cosine (Φ)

P = VI Cos (Φ)

Gambar 2.2

Faktor daya adalah Cos Φ dimana Φ adalah sudut antara tegangan dan arus yang

melalui suatu bahan. Faktor daya dapat juga didefinisikan sebagai perbandingan

antara daya aktif terhadap daya semu.

=

Gambar 2.3

δ = 900 – Φ, sehingga faktor daya dapat juga dinyatakan sebagai sin δ.

3 - 27

IC

0%PF

IR 100%PFVΦ

δ

IT

III.1 PENGUJIAN FAKTOR DAYA

Prinsip dasar pengujian:

- Pengujian dilakukan pada bagian terkecil

dari suatu bahan

- Kontaminasi yang terjadi akan

mempengaruhi sistem isolasi

- Pengujian dilakukan dengan memisahkan

bahan ke bagian yang lebih kecil lagi

untuk mendeteksi gangguan isolasi

- Kontaminasi menjadi suatu bagian yang

‘lebih besar’ untuk dilihat/diamati

Gambar 3.1

Alat uji yang digunakan untuk mengetahui faktor daya dielektrik sama dengan alat

uji tangen delta. Untuk pembacaan hasilnya, pada beberapa alat uji dapat langsung

diperoleh nilai PF (faktor daya), namun pada alat lain harus dilakukan konversi

nilai untuk memperoleh nilai PF.

III.2 Batasan Pengujian Faktor Daya

Interpretasi berdasarkan Doble (ANSI C 57.12.90):

4 - 27

Standar faktor daya untuk trafo baru:

IV. Faktor Daya Vs Suhu

IV.1 Karakteristik Faktor Daya vs Suhu

Berdasarkan Doble literature, dari beberapa pengalaman mengungkap bahwa

pengukuran faktor daya bergantung pada suhu. Terdapat 5 (lima) kurva

karakteristik yang dihasilkan dengan faktor daya 1% pada suhu 200:

5 - 27

Gambar 4.1

Karakteristik Faktor Daya vs Suhu

Kurva A: oleh L.W Smith (Doble, 1936). Menyatakan bahwa selama rugi-rugi

dielektrik pada minyak menjadi bagian terbesar dari keseluruhan rugi-

rugi dielektrik dari trafo maka dapat dikatakan keseluruhan

karakteristik faktor daya vs suhu dari trafo tersebut diperkirakan

sesuai dengan minyak itu sendiri.

Kurva B: oleh E.V. DeBelieux (GE, 1953), berdasarkan standar kurva AIEE.

Kurva berdasarkan data dari trafo daya besar, 25 mVA – 170 mVA.

Kurva kemudian diperkenalkan oleh AIEE pada tahun 1958 sebagai

6 - 27

bagian dari “Pra-kode uji untuk pengujian faktor daya dari trafo tenaga

dan distribusi”.

Kurva C: hasil studi yang dilakukan oleh Doble Client Committee on

Transformers pada tahun 1963.

Kurva D: data kurva ini dihasilkan dari studi oleh Manitoba Ilydro System dan

dimasukkan ke Doble oleh Mr. William McDermid pada Januari 1976.

Kurva E: berdasar kurva O.E-EHV yang diperkenalkan oleh R.F. Casey dari

Perusahaan Ohio Edison tahun 1976.

IV.2 Pengaruh Kelembaban Terhadap Hubungan Temperature dan Power

Faktor.

Studi yang dilakukan untuk menentukan faktor koreksi memilih isolasi antara

belitan (CHL) sebagai variable yang diinginkan karena isolasi ini tidak dipengaruhi

oleh kontaminasi dari permukaan luar dari bushing. Faktor daya CH dan CL yang

diperoleh dapat memberikan pengaruh dari rugi-rugi dalam permukaan bushing,

jadi faktor koreksi mungkin lebih sulit untuk didapatkan dibanding dari pada CHL.

Jenis-jenis faktor koreksi suhu yang sekarang digunakan untuk jenis transformator

oil-filled adalah :

- Free Breathing and Older Conservator (FB)

- Sealed, Gas-Blanketed dan Modern Conservator ≤ 161 kV

- Sealed, Gas-Blanketed dan Modern Conservator > 161 kV

Jenis-jenis dari faktor koreksi suhu disingkatkan sebagai FB, <= 161 kV dan >

161 kV untuk memudahkan pembahasan.

Telah diketahui bahwa tingkat kelembaban dalam isloasi akan mempengaruhi

faktor daya. Hal ini digambarkan pada gambar 4.2 dimana telah dipublikasikan

lebih dahulu dalam tulisan oleh Doble Engineering pata tahun 1967(15) dan

1976(17). Pada gambar tersebut memperlihatkan hubungan antara persentase

7 - 27

faktor daya dengan suhu dari beberapa contoh dari isloasi dengan berbagai tingkat

kelembaban. Sebagai catatan bahwa faktor daya dari isolasi kering menghasilkan

kurva yang dapat digambarkan relatif datar dan huruf U. Faktor daya berubah

kecil dalam jarak perbedaan temperatur yang besar. Jika tingkat kelembaban dari

isolasi menaikkan faktor daya secara umum untuk semua suhu dan ada tendensi

dari faktor daya untuk menaikkan secara sangat berbeda dalam temperatur yang

lebih tinggi. Sebagai contoh, kertas dengan kelembaban 0,1% memiliki kurva

faktor daya yang relatif datar, tetapi untuk kertas denga kelembaban 1,18%

memiliki faktor daya yang sangat tinggi pada suhu yang lebih tinggi.

Gambar 4.2

Untuk menggambarkan bahwa eksperimen ini dapat diaplikasikan pada sistem

isolasi kertas dalam transformator-transformator sebuah tinjauan telah dilakukan.

8 - 27

Database mempunyai hasil pengujian faktor daya untuk jenis transformator ≤161

kV dalam jangkauan dari faktor daya 0 - 5%. Untuk hasil-hasil pengujian tersebut

ketiga kurva diperlihatkan pada grafik dalam gambar 4.3.

Gambar 4.3

Setiap kurva adalah sebuah polinomial tingkat ke-2 yang merupakan hasil terbaik

dari pengukuran faktor daya sebagaimana diindikasikan dalam jarak dari legenda

grafik. Ketiga hasil pengukuran batas faktor daya adalah 0-5%, 0-1% dan 0-05%.

Hal tersebut dapat disimpulkan dari grafik jika trafo dengan faktor daya yang

tinggi memiliki kemampuan untuk meningkatkan kurva faktor daya lebih

signifikan pada suhu tinggi. Pada tinjauan kasus dari sealed, nitrogen-blanketed

dan modern conservators kami telah mencoba untuk mendapatkan faktor-faktor

koreksi yang merupakan representatif dari trafo-trafo sistem isolasi kering. Untuk

mencapai tujuan tersebut kami telah membatasi batas dari faktor daya dari 0-

1.0%. Faktor koreksi yang didapatkan dengan batas ini tidak termasuk pada trafo

basah.

Pada konservator free breathing dan older konservator memiliki kemungkinan

menjadi lebih basah dari sistem konservator sealed, nitrogen-blanketed dan newer.

Semua data dari faktor daya untuk free breathing dan older konservator telah

digunakan dalam grafik dan tabulasi dari beberapa jenis trafo.

9 - 27

IV.3 Aplikasi dari Faktor Koreksi yang sudah ada.

10 - 27

Tabel 4.1

Tabel 4.1 menunjukkan hasil Faktor koreksi faktor daya yang telah dihasilkan dari

study oleh Doble sebelumnya.

11 - 27

Hasil diskusi akan difokuskan dalam aplikasi dari ketiga jenis faktor koreksi

tersebut diatas. . Grafik berikut memperlihatkan hasil studi dari koreksi faktor

daya. Grafik 4.4 pada bagian dari tulisan ini memiliki simbol dari berapa jenis

informasi yang digambarkan.

- Simbol berlian, mengindikasikan pengukuran faktor daya dari setiap data

dalam database yang merupakan hubungan dari suhu minyak permukaan

- Garis tegas mengindikasikan polinomial tingkat 2 yang sangat dekat mewakili

data pengukuran faktor daya yang diperlihatkan dari simbol berlian

- Hasil tinjauan faktor koreksi diindikasikan dengan simbol segiempat. Faktor

koreksi adalah nilai yang dibutuhkan untuk memperbaiki kurva polinomial

faktor daya pada 200C. Faktor koreksi (CF) ditunjukkan dalam rumus sbb:

CF pada T0C = PF pada 200C / PF pada T0C

- Simbol segitiga dan lingkaran mewakili faktor koreksi yang telah ada yang

digunakan untuk mengindikasikan kelas atau kelas-kelas dari trafo.

Gambar 4.4

IV.3.1 Faktor koreksi dari transformator jenis free breathing dan older

konservator

12 - 27

Gambar 4.4 mengindikasikan hasil tinjauan dari kelas faktor koreksi FB dari trafo.

Sebagai catatan bahwa untuk suhu dibawah 200C faktor daya yang telah ada

memperlihatkan bahwa faktor daya isolasi lebih tinggi dari faktor koreksi yang

disarankan dalam tinjauan ini. Untuk suhu yang lebih tinggi dari 200C faktor

koreksi yang telah ada berada di bawah perbaikan faktor daya. Penggunaan dari

FB yang telah ada dapat menyebabkan investigasi yang tidak penting dari isolasi

pada suhu di bawah 200C tetapi pengukuran yang diambil pada suhu lebih tinggi

dari 200C dapat membuat trafo-trafo pada kondisi batasnya tidak dapat

diperlihatkan.

Sebagaimana diindikasikan pada gambar 4.5 sebagian besar dari pengujian dalam

database dihasilkan diantara 100C-400C pada range suhu koreksi batas atas

tertinggi disusun oleh faktor koreksi yang telah ada sekitar 18% dan batas bawah

paling maksimal sekitar 42%.

Gambar 4.5

IV.3.2 Faktor koreksi dari trafo tegangan ≤ 161 kV dengan jenis konservator

sealed, gas-blanketed dan modern

13 - 27

Gambar 4.6 adalah sebuah grafik yang merepresentatifkan dari sebuah tinjauan

pada faktor koreksi untuk trafo kelas ≤ 161 kV. Sebagai catatan bahwa untuk suhu

dibawah 200C faktor koreksi yang menyediakan perbaikan faktor daya isolasi

yang lebih tinggi dari faktor koreksi yang diajukan dari tinjauan ini.

Gambar 4.6

Pada 20C faktor koreksi yang digunakan adalah 1,5 vs 0,96 yang ditentukan pada

tinjauan ini. Faktor koreksi yang telah ada menyediakan koreksi batas atas sebesar

67% yang dihasilkan lebih tinggi dari perbaikan faktor daya. Sebagai contoh

marilah kita mempertimbangkan sebuah sistem isolasi trafo dengan sebuah

pengukuran faktor daya pada 0,5% di 20C. Isolasi ini akan dipertimbangkan untuk

memiliki sebuah perbaikan faktor daya sebesar 0,75% menggunakan faktor

koreksi pada ≤ 161 kV yang telah ada. Hasil perbaikan tinjauan ini akan

memberikan isolasi pada faktor daya menjadi 0,48%. Faktor koreksi tertinggi

yang digunakan saat ini dapat mengakibatkan investigasi yang tidak penting.

Untuk suhu diatas 200C faktor koreksi yang telah ada berada dibawah perbaikan

faktor daya yang dapat menyebabkan kondisi batas trafo tidak dapat diperlihatkan.

14 - 27

Suhu faktor koreksi untuk trafo >161 kV telah dimasukan dalam grafik dalam

gambar 4.6. Hal ini sangat menarik untuk dicatat jika kurva koreksi yang

disarankan untuk kelas trafo ≤ 161 kV sangat mirip dengan faktor koreksi dengan

trafo > 161 kV yang telah digunakan. Faktor koreksi untuk trafo > 161 kV

menunjukkan koreksi batas atas adalah 8% pada suhu 00C dan batas paling bawah

adalah 18% pada suhu 600C.

Gambar 4.7

Gambar 4.7 memperlihatkan bahwa hasil pengujian frekuensi menunjukkan

bagian dari pengujian suhu. Perhitungan dapat ditentukan dengan memperkirakan

83% dari pengujian dalam database menunjukkan diantara 100C dan 400C. Untuk

range suhu batas koreksi paling atas disusun olef faktor koreksi yang telah ada

sekitar 31% pada 100C dan koreksi batas terendah sekitar 34% pada 400C. Untuk

suhu pada range yang sama faktor koreksi dari trafo >161 kV menghasilkan batas

atas koreksi 4% pada 100C dan batas bawah koreksi 10% pada 400C.

IV.3.3 Faktor Koreksi pada Trafo > 161 kV dengan Jenis Konservator

Sealed, Gas-Blanketed dan Modern.

15 - 27

Gambar 4.7

Gambar 4.7 adalah grafik representatif dari tinjauan faktor koreksi untuk kelas

trafo >161 kV. Sebagai catatan untuk sebagian besar suhu dari faktor koreksi yang

telah ada memberikan perbaikan faktor daya isolasi dimana hanya sedikit lebih

rendah dibanding faktor daya yang diperoleh denga menggunakan faktor koreksi

yang diusulkan oleh tinjauan ini.

Gambar 4.7

Gambar 4.8 memperlihatkan hasil pengujian frekuensi yang diperlihatkan dalam

bagian lain dari pengujian suhu untuk kelas trafo >161 kV. Hasil perhitungan

memperlihatkan bahwa perkiraan sekitar 82% dari pengujian-pengujian tersebut

terjadi pada 10oC dan 40oC. Untuk range suhu batas atas koreksi adalah 3% pada

14oC dan batas bawah koreksi adalah 13% pada 40oC.

16 - 27

IV.4 Observasi dan Rekomendasi Doble

IV.4.1 Observasi

Teknik pengujian direkomendasikan dengan melakukan pengujian terpisah

pada belitan, bushing dan isolasi bahan cair, dengan pemutusan secukupnya

secara fisik antara isolasi trafo dari bus eksternal, lines atau kabel.

Beberapa pengukuran yang sederhana dilakukan secara terpisah, pengukuran

langsung pada rugi-rugi dielektrik, kapasitansi dan faktor daya dari isolasi

antara pasangan belitan, antara setiap belitan dengan pentanahan, untuk setiap

bushing dan untuk contoh minyak. Pemisahan sistem listrik pada sebagian

besar area dari isolasi ini, mengizinkan analisa langsung dari kondisi pada

isolasi transformator dengan “efek permukaan“ yang sangat kecil dari belitan

pada bushing, bushing pada belitan, minyak pada belitan dan minyak pada

bushing.

Adapun data-data yang dihasilkan seharusnya terdiri dari arus, rugi daya dan

faktor daya untuk setiap isolasi belitan ke ground (CH, CL) dan untuk setiap

isolasi antarbelitan (CHL, dll). Jika terdapat kesulitan dimana belitan tegangan

rendah tidak dapat diuji secara terpisah, pengujian pada tegangan tinggi (CH)

dan isolasi antarbelitan (CHL) sudah mencukupi.

Data sebaiknya termasuk informasi lengkap dari nameplate, hasil rekaman

minyak permukaan dan suhu ambient. Suhu direkam secara periodik selama

pengujian dengan durasi yang tidak terlalu lama.

The Doble Test Assistant Office System menyediakan sebuah efektifitas

untuk mengumpulkan hasil data pengujian dalam jumlah yang besar dan

diuraikan dalam informasi yang penting yang dibutuhkan untuk menampilkan

tinjauan ini.

Penggunaan data dalam jumlah besar, memberikan kredibitas dalam tingkat

tinggi dari faktor koreksi dapat diperoleh. Penggunaan trafo dalam jumlah

sedikit dapat menyediakan faktor koreksi yang tidak mewakili trafo dalam

jumlah yang banyak.

17 - 27

Kelas FB dari faktor koreksi bukanlah representatif dari sebagian besar trafo-

trafo dalam kelas tersebut. Ada suatu kecenderungan untuk sebuah tinjauan

untuk memperbaiki faktor-faktor mendekati nilai 1 dibandingkan dengan

faktor daya yang telah ada. Hal ini bisa menjadi sebuah indikasi jika bagian

isolasi kertas dari sistem isolasi akan menjadi lebih dominan dibandingkan

dengan minyak yang mendeterminasikan faktor koreksi dari sistem isolasi.

Kelas FB yang telah ada dari faktor koreksi memiliki kesamaan dengan faktor

koreksi dari bahan minyak mineral yang ditemukan pada tahun 1939.

Tinjauan yang berhubungan menyatakan bahwa faktor koreksi dari ≤ 161 kV

yang telah ada tidak mewakili dari sebagaian besar kelas trafo yang sama.

Faktor koreksi > 161 kV berhubungan dekat dengan tinjauan faktor koreksi

yang dihasilkan untuk kelas trafo ≤ 161 kV.

Faktor koreksi > 161 kV berhubungan dekat deyang digunakan dengan kurva

yang saat ini digunakan untuk kelas dari trafo-trafo.

IV.4.2 Rekomendasi.

Pengambilalihan faktor koreksi yang digunakan sekarang adalah untuk trafo > 161

kV, pada semua jenis konservator sealed, gas-blanketed dan modern yang

berdasarkan pada tegangan belitan.

18 - 27

V. Contoh kasus dari Doble literature:

1. Faktor Daya mendeteksi kelembaban di dalam trafo

Trafo Westinghouse 138/21 kV, 265 MVA

2. Pengujian bushing secara terpisah

19 - 27

3. Ungrounded Core

Trafo 2 belitan, ABB 138/0,48 kV, 5 MVA, oil-filled

4. Kelembaban

Trafo 2 belitan, FPE, 13,8/4,3 kV, 7 MVA, oil-filled

Faktor daya CL tinggi dan terdapat ketidakcocokan faktor daya antara CHL dan

CLH.

5. Defective Pumps

Trafo Shell, Westinghouse, 3-phase, 345/19 kV, 343 MVA

Telah dilakukan pengujian pada sebuat unit yang serupa namun tidak

menunjukkan peningkatan nilai faktor daya yang sama seperti di atas

20 - 27

6. Carbonized Path

Trafo 2 belitan, Allis Chalmers, 115/13,2 kV, 12/16/20 MVA, oil-filled

Histori trafo:

- 12 Mei 1969 acceptance test

- Bushing X1 (Lapp tipe POC-A) gagal. Trafo diuji pada 11 April dan

dikembalikan untuk beroperasi pada 16 April 1977

- Pada 14 Nov 1979 bushing X3 gagal. Trafo telah diuji dan dikembalikan

untuk operasi pada 15 Nov 1979. Faktor daya CL meningkat

- Trafo di uji pada 30 Agustus 1984 selama pemeriksaan tap changer

- 20 Nov 1984 trafo dikeluarkan dari operasi untuk di uji. Faktor daya CHL

meningkat hingga 3,6% pada 10 kV

Hasil pemeriksaan trafo:

- Setelah dikeluarkan dari tangki, pemasangan gulungan HV terlihat baik

namun ada ketidaksejajaran jarak gulungan dalam belitan tap.

- Setelah gulungan HV dikeluarkan, ditemukan banyak karbon yang

menempel pada jarak vertikal dan gulungan LV pada semua phasa

- Trafo kembali beroperasi pada tahun 1985

21 - 27

VI. KESIMPULAN

1. Pengujian faktor daya isolasi sangat efektif untuk memperkirakan tingkat

kebasahan, kekeringan ataupun pemburukan pada isolasi trafo.

2. Nilai faktor daya perlu dikoreksi terhadap suhu untuk memperoleh analisa

yang akurat

3. Perlu adanya kajian lebih lanjut tentang analisa hasil faktor daya terhadap

suhu

VII. DAFTAR PUSTAKA

1. Tim penyusun buku O&M Trafo, Panduan Pemeliharaan Trafo Tenaga, 2003

2. Basic Power Factor Theory and Apparatus Testing, Doble Engineering

Company, 2003

3. Rickley, A.L, Clark, R.E, Power Factor versus Temperature Characteristics

of Modern power-Transformer Insulation, Doble Engineering Company

4. Gilbert, Norbert E, Power Factor versus Temperature Relationships for Oil-

Filled Power Transformers, Doble Engineering Company

22 - 27

23 - 27

24 - 27

25 - 27

26 - 27

27 - 27