PROPOSAL TUGAS AKHIR

STUDI DAN PEMODELAN ARUS INRUSH PADA TRANSFORMATOR DAYA

150 KV DI GARDU INDUK KAWASAN INDUSTRI MEDAN

Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat dalam

menyelesaikan Pendidikan Sarjana (S-1) pada

Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

Oleh

RAMLI HARDIMAN SITUMEANG070402084

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2011

Abstrak

Proses energisasi pada transformator akan menimbulkan fenomena transient

fluks/arus pada inti trafo atau disebut arus inrush. Keadaan akan semakin buruk jika

terdapat fluks sisa pada inti yang akan memperbesar magnitude dari arus inrush

tersebut. Hal ini dapat berdampak pada terjadinya saturasi pada belitan transformator

mengingat besarnya arus inrush yang disertai dengan kandungan harmonisa yang tinggi

dan arus komponen dc. Dampak lain adalah kerusakan pada belitan akibat tekanan

magnetik, kesalahan kerja peralatan proteksi, timbulnya tegangan kedip yang secara

umum berdampak pada menurunnya kualitas daya. Untuk itu perlu dilakukan usaha

untuk mengurangi arus inrush. Tugas akhir ini akan mengadopsi teknik pengurangan

arus inrush dengan metode sequential phase energization, dengan optimalisasi pada

nilai tahanan netral. Dengan menerapkan delay pada proses switching pada masing-

masing fasa dan resistor pada sisi netral primer transformator maka diharapkan dapat

mengurangi magnitud arus inrush yang akan terjadi. Adapun sebagai alat

pensimulasinya akan digunakan software ATP-EMTP

PROPOSAL TUGAS AKHIR

I. Judul Tugas Akhir

Tugas akhir ini berjudul :

“STUDI DAN PEMODELAN ARUS INRUSH PADA TRANSFORMATOR

DAYA 150 KV DI GARDU INDUK KAWASAN INDUSTRI MEDAN”

II. Bidang Tugas Akhir

Tugas akhir ini meliputi bidang Teknik Konversi Energi Listrik.

III. Latar Belakang

Transformator merupakan salah satu peralatan listrik yang sangat penting

dalam hal transmisi energi listrik. Performa yang baik sangat diperlukan dalam hal

menjamin kontinuitas layanan energi listrik. Oleh karena itu proteksi transformator

marupakan hal yang mutlak diperlukan guna menjamin terlidungnya peralatan dari

berbagai gangguan yang berpotensi merusak dan menggangu stabilitas layanan.

Arus inrus merupakan fenomena transient yang muncul pada saat start awal

atau energisasi. Hal yang dihindarkan dari arus inrush ini adalah besarnya yang

dapat mencapai 3.5-40 kali arus nominalnya. Hal ini dapat menyebabkan kesalahan

operasi pada rele diferensial, karena sebenarnya rele tidak perlu bekerja pada saat

terjadinya arus inrush. Selain itu arus inrush juga dapat menimbulkan penurunan

kualitas daya listrik, dan menyebaban saturasi pada belitan yang dalam jangka

panjang dapat menyebabkan kerusakan pada belitan selanjutnya pada transformator.

Oleh karena itu perlu dilakukan tindakan pengurangan besar arus inrush tersebut.

Dalam berbagai penelitian telah ditemukan berbagai metode guna mengurangi

dampaknya. Metode sequential phase energization adalah metode baru yang banyak

dijadikan sebagai metode untuk mengurangi arus inrush saat ini.

Adapun tugas akhir ini berjudul “Studi dan Pemodelan Arus Inrush pada

Transformator Daya 150 kV di Gardu Induk Kawasan Industri Medan”.

Dimana metode ini akan disimulasikan dalam sebuah program anilisis transient

yaitu :

ATP-EMTP (Analysis Transient Program-Elektromagnetic Transient Program)

guna mendapatkan gambaran dampak penggunaan metode ini. Adapun model

transformator yang digunakan adalah transformator pada G.I Kawasan Industri

Medan

IV. Tujuan Penulisan

Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini adalah :

1. Membuat pemodelan transformator daya pada software ATP-EMTP

2. Untuk mensimulasikan besar arus inrush pada Transformator

3. Mengetahui dampak yang ditimbulkan oleh arus inrush terhadap kualitas daya

4. Mensimulasikan metode sequential phase energization sebagai upaya untuk

menguranginya

V. Manfaat Penulisan

Manfaat penulisan tugas akhir ini adalah :

1. Menambah pengetahuan dan wawasan bagi penulis dan mahasiswa tentang arus

inrush pada transformator daya berikut dampak yang ditimbulkannya.

2. Mengetahui seberapa besar dampak menurunnya kualitas daya sebagai akibat

dari arus inrush

3. Memperkenalkan metode pengurangan arus inrush kepada dunia industri

VI. BATASAN MASALAH

Untuk menjaga agar pembahasan materi dalam tugas akhir ini lebih terarah dan

maksimal, maka penulis membuat suatu batasan masalah sebagai berikut:

1. Tugas akhir ini dilakukan dalam rangka studi bukan aplikasi secara langsung

2. Program pensimulasi yang digunakan adalah ATP-EMTP

3. Data-data transformator yang akan digunakan sebagai model simulasi diperoleh

dari Gardu induk KIM

4. Parameter yang menjadi variabel dalam tugas akhir ini adalah arus dan tegangan

5. Metode yang dibahas adalah terbatas pada Sequential phase energization dengan

menitikberatkan pada pemilihan nilai tahanan peredam yang optimal

6. Tranformator yang akan disimulasikan adalah dalam keadaan tanpa beban

VII. Tinjauan Pustaka

VII.1 Prinsip Kerja Transformator

Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat mengubah besaran dan

menyalurkan energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian ke rangkaian

listrik yang lain melalui suatu gandengan megnet dan berdasarkan prinsip induksi

elektromagnetik. Transformator digunakan secara luas baik dalam bidang tenaga listrik

maupun elektronika. Penggunaan transformator dalam sistem tenaga memungkinkan

terpilihnya tegangan yang sesuai dan ekonomis untuk tiap - tiap keperluan misalnya,

kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya jarak jauh.

Transformator terdiri atas dua buah kumparan (primer dan sekunder) yang bersifat

induktif. Kedua kumparan ini terpisah secara elektrik 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 sendiri (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 dibebani sehingga energi listrik dapat

ditransfer keseluruhan (secara magnetisasi ).

e = N d Ødt ..........................

Dimana :

e = gaya gerak listrik ( ggl ) [ volt ]

N = jumlah lilitan

= perubahan fluks magnet dtφd

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

ditransformasikan oleh transformator. Sedangkan dalam bidang elektronika, transformator

digunakan sebagai gandengan impedansi antara sumber dan beban untuk menghambat arus

searah sambil tetap melakukan arus bolak - balik antara rangkaian.

Tujuan utama menggunakan inti pada transformator adalah untuk mengurangi

reluktansi (tahanan magnetis) dari rangkaian magnetis (common magnetic circuit )

VII.2 Konstruksi Transformator

Pada dasarnya transformator terdiri dari kumparan primer dan sekunder yang

dibelitkan pada inti ferromagnetik. Berdasarkan letak kumparan terhadap inti,

transformator terdiri dari dua macam konstruksi, yaitu tipe inti (core type) dan tipe

cangkang (shell type). Kedua tipe ini menggunakan inti berlaminasi yang terisolasi satu

sama lainnya, dengan tujuan untuk mengurangi rugi-rugi arus eddy

Tipe inti (Core form)

Tipe inti ini dibentuk dari lapisan besi berisolasi berbentuk persegi dan kumparan

transformatornya dibelitkan pada dua sisi persegi. Pada konstruksi tipe inti, lilitan

mengelilingi inti besi yang disebut dengan kumparan, seperti yang ditunjukkan pada

gambar dibawah ini :

Gambar 1 : konstruksi transformator tipe inti

Tipe Cangkang (Shell Type)

Jenis konstruksi transformator yang kedua yaitu tipe cangkang yang dibentuk

dari lapisan inti berisolasi, dan kumparan dibelitkan di pusat inti, dapat dilihat pada

gambar di bawah ini :

Gambar 2 : Konstruksi transformator tipe cangkang

Tipe ini lebih sering digunakan secara luas pada transformator daya, mengingat

performanya dalam hal hubung singkat dan tegangan transien.

VII.3 Rankaian Ekivalen

Tidak seluruh fluks yng dihasilkan oleh arus pemagnetan Im merupakan fluks

bersama (ФM), sebagian darinya hanya mencakup kumparan pimer (Ф1) atau sekunder saja

(Ф2) dalam model rangkaian (rangkaian ekivalen ) yang dipakai untuk menganalisis kerja

satu transformator, adanya fluks bocor Ф1 dan Ф2 dengan mengalami proses transformasi

dapat ditunjukkan sebagai reaktansi Xek, sedangkan rugi tahanan ditunjukan dengan Rek.

Dengan demikian model rangkaian dapat dituliskan seperti Gambar

Gambar 3 : Rangkaian Ekivalen Transformator

Parameter transformator yang terdapat pada model rangkaian (rangkaian ekivalen)

Rc, Xm, Rek dan Xek dapat ditentukan besarnya dengan dua macam pengukuran (test) yaitu

pengukuran beban nol dan pengukuran hubungan singkat.

VII.4 Arus Inrush

Ketika dilakukan pemadaman pada transformator maka pada inti akan tertinggal

sejumlah fluks sisa. Hal ini terjadi mengingat sifat magnetik daripada inti transformator.

Fluks sisa ini dapat mencapai 50-90 % dari fluks saat trafo bekerja. Pada saat trafo

kembali dioperasikan atau disuplai tegangan, maka fluks pada trafo adalah jumlah fluks

yang dibangkitkan ditambah dengan fluks sisa. Hal ini dapat menyebabkan saturasi pada

inti, mengingat trafo juga dapat menarik arus melebihi arus beban lebih. Arus inrush

dapat mencapai 3.5-40 kali besar rating arus beban penuh, hal ini tergantung pada disain

atau konstruksi trafo.

Bentuk gelombang arus inrush sama dengan bentuk gelombang sinusoidal.

Namun sebagian besar gelombangnya condong pada sisi positif atau sisi negatif. Dari

gambar di bawah dapat dilihat bentuk dari gelombang arus inrush. perlu dicatat bahwa

ke dua gambar ini memiliki skala arus yag berbeda, dimana skala untuk arus inrush

disertai fluks sisa lebih besar. dapat dilihat bahwa flux yang dibangkitkan akan

melampaui batas saturasi dari belitan. Sementara puncak arusnya sangat besar terlebih

lagi pada arus inrush pada trafo disertai fluks sisa.

(a) (b)

Gambar 4 : Arus Inrush (a) Tanpa fluks sisa (b) dengan fluks sisa

VII. 5 Dampak Arus Inrush Terhadap Kualitas Daya

Kualitas daya adalah penunjukan statistik dari suatu sistem yang dapat bekerja

sebesar 99.98%. dalam sistem ketenaga listrikan masalah kulaitas daya adalah persoalan

perubahan bentuk tegangan, arus atau frekuensi yang bisa menyebabkan kegagalan atau

misoperation peralatan, baik peralatan milik PLN maupun milik konsumen; artinya

masalah kualitas daya bisa merugikan pelanggan maupun PLN. Selain paramerer

tegangan, arus dan frekuensi, kontinuitas layanan juga menjadi faktor yang sangat

penting dalam menjamin kualitas daya yang baik.

Arus inrush merupakan suatu fenomena transient yang dapat berakibat buruk

pada peralatan maupun pada sistem dimana peralatan tersebut bekerja sehingga tentu

hal ini akan sangat berpengaruh terhadap menurunya kualitas daya. Kerusakan apda

peralatan yang mana dalam hal ini transformator, secara langsung juga akan

mempengaruhi kualitas daya dalam hal kontinuitas layanan. Berikut adalah beberapa

dampak yang diakibatkan oleh arus inrush :

1. Kerusakan pada belitan Transformator

Besarnya fluks/arus yang mencul pada saat energisasi akan menimbulkan

tekanan magnetis pada belitan transformator. Selain itu juga akan menimbulkan

panas yang tergantung pada durasi dan besarnya arus inrush yang timbul

2. Menyebabkan dielectric stress pada isolasi transformator

3. Dapat menimbulkan TOVs (Temporary Over Voltages)

Makin tinggi rating tegangan maka TOVs yang akan terjadi pun akan makin

tinggi. Hal ini juga sejalan dengan besar kapasitansi pada sistem, kapasitansi dan

induktasnsi pada transformator sama-sama akan menyebabkan osilasi yang

nantinya akan berpengaru pada frekuensi dan juga tegangan. Selain dapat

merusak isolasi pada transformator, TOVs ini juga dapt menyebabkan kerusakan

pada arester.

4. Voltage Sag ( Kedip Tegangan)

Tegangan kedip disebut juga dip voltage (IEC) atau pun voltage sag (IEEE),

memiliki pengertian sebagai penurunan tegangan sesaat pada durasi tertentu.

Voltage sag yang besar dapat menyebabkan kerusakan pada peralatan dan

menurunnya kualitas daya listrik.

5. Harmonisa

Proses magnetisasi pada transformator kaya akan kandungan harmonisa.

Terutama harmonisa orde ke-2 yang merupakan fungsi dari sudut dalam saturasi

dan ke-3 yang bisanya memiliki besar yang sama dengan orde dua yang

diakibatkan oleh saturasi . Selain itu juga mengandung arus komponen DC

sebagai efek dari fluks sisa.

Kelima hal diatas pastinya akan berpengaruh pada menurunnya kualitas daya pada

sistem kelistrikan. Oleh karena itu perlu sekali diambil langkah dalam upaya

mengurangi arus inrush tersebut.

VII.4 Sequential Phase Energization

Metode ini merupakan salah satu metode yang cukup sederhana yang dapat

diterapkan dalam mengurangi arus inrush. metode ini merupakan adopsi dan modifikasi

dari metode pre-insertion resistor dan asyncronos switching yang terlebih dahulu

ditemukan. Secara sederhana dapat dilihat pada gambar (5) bagaiman prinsip dasar

metode ini bekerja. Ide dasar dari metode ini adalah dengan menggunakan tahanan

netral yang berfungsi sebagai peredam arus inrush. kemudian dikembangkan lagi

dengan memberlakukan sistem sekuensial pada proses switching dimana masing-masing

fasa akan di switch dengan menerapkan delay (tundaan) waktu pada tiap-tiap fasa.

Gambar 5. Diagram garis Metode Sequential phase energization

VIII. Metode Penelitian

Metode yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah :

1. Studi Literatur

Berupa studi kepustakaan dan kajian dari berbagai sumber pustaka yang relevan

mendukung dalam penulisan tugas akhir ini

2. Studi Lapangan

Merupakan studi dalam hal pengumpulan data yang akan digunakan sebagai

bahan model simulasi

3. Pemodelan dan Simulasi

Setelah mendapatkan berbagi data yang diperlukan sebagi model simulasi, maka

data tersebut akan disimulasikan pada program pensimulasi ATP-EMTP. Dalam

simulasi ini akan dibandingkan antara kondisi tanpa metode SPE dan kondisi

setelah penggunaan metode SPE.

4. Studi Bimbingan

Dalam hal ini penulis melakukan diskusi tentang topik tugas akhir ini dengan

dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh pihak Departemen Teknik Elektro

IX. Sistematika Penulisan

Tugas akhir ini disusun berdasarkan sistematika penulisan sebagai berikut.

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini merupakan pendahuluan yang berisi tentang latar belakang

masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, manfaat penulisan,

metode dan sistematika penulisan.

BAB II TRANSFORMATOR

Bab ini menjelaskan teori umum mengenai transformator, rangkaian

ekivalen, prinsip kerja, katrakteristik magnetik, arus inrush

BAB III ANALISIS DAMPAK ARUS INRUSH TERHADAP KUALITAS

DAYA DAN METODE PENGURANGANNYA

Bab ini berisi analisis dari berbagai dampak yang ditimbulkan akibat

adanya arus inrush. Selain itu akan dibahas juga gambaran umum

metode yang akan dibahas

BAB IV PEMODELAN DAN SIMULASI PENERAPAN METODE

SEQUENTIAL PHASE ENERGIZATION

Bab ini berisikan hasil pemodelan dan simulasi arus inrush pada

transformator daya dari 2 keadaan yaitu ; tanpa metode dan dengan

metode pengurangan. Kemudian akan dianalisis untuk mendapatkan

perbandingan dari kedua kondisi ini

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi kesimpulan dan saran yang diperoleh penulis dari hasil

pembahasan

DAFTAR PUSTAKA

1. Flanagan. M. William., 1993, “Handbook of Transformer Design and

Applications; Second edition” McGraw-Hill, Boston. Massachusetts

2. Harlow. H. James, 2004, “Electric Power Transformer Engineering” CRC Press;

Florida, US

3. Jr. Winders. J. John, 2002, “Power Transformer Principles and Applications”

Marcel Dekker, Inc., New York, Basel

4. M. Manana; Eguiluz. 2002, ‘effect of magnetizing inrush current on power

quality and distributed generation” ETSIIT. University of Cantabria. Spain

5. S.G. Abdulsalam, Xu. Wilsun, 2007, ”A Sequential Phase Energization method

for Inrush Current Reduction—Transient Performance and Practical

Considerations”, IEEE Trans. Power Del. vol. 22, no. 1

6. W. Xu, S.G. Abdulsalam, Y. Cui, and Liu. Xian, 2005,” A Sequential Phase

energization Technique for Transformer Inrush Current Reduction—Part II:

Theoretical Analysis and Design Guide”, IEEE Trans. Power Dl, vol 20, no 2,

aprl 2005

7. Y. Cui, S.G. Abdulsalam, S. Chen, and W. Xu, “A Sequential Phase

Energization method for Inrush Current Reduction—Part I: Simulation and

Experimental Results, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol 20, no 2, pp

943-949,

OUTLINE TUGAS AKHIR

STUDI ANALISIS DAMPAK DAN PENGURANGAN ARUS INRUSH PADA

TRANSFORMATOR DAYA DENGAN METODE CONTROLLED SWITCHING

(Studi Kasus Pada Gardu Induk Kawasan Industri Medan)

Kata Pengantar

Abstrak

Daftar Isi

Daftar Gambar

BAB I PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

I.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan

I.3 Batasan Masalah

I.4 Metode Penulisan

I.5 Sistematika Penulisan

BAB II TRANSFORMATOR

II.1 Umum

II.2 Prinsip Kerja

II.3 Rangkaian Ekivalen

II. Karakteristik Tanpa Beban

II.4 Transformator Daya

III.4 1 Rating dan Klasifikasi

Efisiensi rugirugi dan regulasi

Hubungan Belitan

II.5 Arus Inrush

BAB III DAMPAK ARUS INRUSH TERHADAP KUALITAS DAYA DAN

METODE PENGURANGANNYA

III.1 Umum

III.2 Dampak Arus Inrush

III.3 Metode Sequential Phase Energization

III.4 ATP-EMTP

BAB IV ANALISIS PEMODELAN DAN SIMULASI METODE SEQUENTIAL

PHASE ENERGIZATION

IV.1 Umum

IV.2 Konfigurasi Sistem

IV.3 Arus Inrush Pada Transformator Daya Tanpa Metode Controlled switching

IV.3.1 Pemodelan

IV.3.2 Hasil Simulasi

IV.3.3 Analisis Hasil Simulasi

IV.4 Arus Inrush Pada Transformator Daya Dengan Metode Controlled Switching

IV.4.1 Pemodelan

IV.4.2 Hasil Simulasi

IV.4.3 Analisis Hasil Simulasi

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN