trafo arus
DESCRIPTION
Teknik ElektroTRANSCRIPT
TRAFO ARUS
7.1 PENDAHULUAN
Trafo arus digunakan untuk pengukuran arus yang besarnya ratusan
ampere dan arus yang rnengalir dalam jaringan tegangan tinggi. Jika arus yang
hendak diukui mengalir pada jaringan tegangan rendah dan besarnya di bawah 5
A, maka pengukuran dapat dilakukan secara langsung dengan menggunakan suatu
ammeter yang dihubungkan seri dengan jaringan. Tetapi jika arus yang hendak
diukur mengalir pada jaringan tegangan tinggi, meskipun besarnya di bawah 5 A,
maka pengukuran tidak dapat dilakukan secara langsung dengan menggunakan
suatu ammeter, karena cara yang demikian berbahaya bagi operator. Cara itu juga
berbahaya bagi ammeter yang digunakan karena isolasi ammeter tidak dirancang
untuk memikul tegangan tinggi. Jika arus yang hendak diukur mengalir pada
jaringan tegangan rendah dan besarnya lebih dari 5 A, maka pengukuran tidak
dapat dilakukan secara langsung dengan menggunakan suatu ammeter. Karena
pada umumnya, batas kemampuan ammeter hanya mengukur arus di bawah 5 A.
Di samping untuk pengukuran arus, trafo arus juga dibutuhkan untuk pengukuran
daya dan energi, pengukuran jarak jauh dan rele proteksi. Kumparan primer trafo
arus dihubungkan seri dengan jaringan atau peralatan yang akan diukur arusnya,
sedang kumparan sekunder dihubungkan dengan meter atau rele proteksi. Pada
umumnya peralatan ukur dan rele membutuhkan arus 1 atau 5 A.
Trafo arus bekerja sebagai trafo yang terhubung singkat. Kawasan kerja trafo arus
yang digunakan untuk pengukuran biasanya 0,05 sampai 1,2 kali arus yang akan
diukur Trafo arus untuk proteksi biasanya harus mampu bekerja lebih dari 10 kali
arus pengenalnya.
Berikut ini akan dijelaskan tentang prinsip kerja dan karakteristik trafo arus.
Kemudian akan diuraikan tentang jenis-jenisnya, definisi-definisi yang berkaitan
dengan spesifikasi trafo arus, dan cara menentukan spesifikasi suatu trafo arus
untuk keperluan tertentu.
7.2 PRINSIP KERJA TRAFO ARUS
Pada Garnbar 7.1 ditunjukkan skema konstruksi suatu trafo arus dan rangkaian
ekivalennya dilihat dari sisi sekunder. Prinsip kerjanya sama dengan trafo daya
satu fasa. Jika pada kumparan primer mengalir arus I1, maka pada kumparan
primer timbul gaya gerak magnet sebesar N1I1. Gaya gerak magnet ini
memproduksi fluks pada inti. Fluks ini membangkitkan gaya gerak listrik pada
kumparan sekunder.
Gambar 7.1 Konstruksi dan Rangkaian Ekivalen Trafo Arus
Jika terminal kumparan sekunder tertutup, maka pada kumparan sekunder
mengalir arus I2. arus ini menimbulkan gaya gerak magnet N2I2 pada kumparan
sekunder. Bila trafo tidak mempunyai rugi-rugi (trafo ideal) maka berlaku
persamaan :
N1I1 = N2I2 7.1
Atau
7.2
Dimana :
N1 = jumlah belitan kumparan primer
N2 = jumlah belitan kumparan sekunder
I1 = arus pada kumparan primer
I2 = arus pada kumparan sekunder
Tegangan pada terminal sekunder (V2) tergantung pada impedansi peralatan (Z2)
yang terhubung pada terminal sekunder dan dapat dituliskan sebagai berikut :
V2 = I2 Z2 7.3
Jika tahanan dan reaktansi bocor kumparan trafo dinyatakan dalam impedansi
internal Z1, maka gaya gerak listrik pada kumparan sekunder harus lebih besar
daripada tegangan sekunder agar rugi-rugi tegangan pada impedansi Z1 dapat
dikompensasi. Oleh karena itu, persamaan di bawah ini harus dipenuhi :
E2 – V2 = E2 – I2 Z2 = I2 Z1 7.4
Atau
E2 = I2 (Z2 + Z1) 7.5
Dalam prakteknya trafo arus selalu mengandung arus beban nol, Io. Arus beban
nol menimbulkan fluks yang dibutuhkan untuk membangkitkan gaya gerak
listrik E2 :
E2 = 4,44 f N2 = 4,44 f N2 A B 7.6
Dimana :
f = frekuensi tegangan
= fluks magnetik
A = luas penampang inti trafo
B = rapat medan magnetik
Gaya gerak listrik inilah yang mempertahankan aliran arus I2 pada
impedansi (Z2 + Z1). Oleh karena itu, ampere belitan yang ditimbulkan
arus beban nol harus dapat mengimbangi ampere belitan yang ditimbulkan arus
primer dan sekunder.
N1I0 = N1I1 + N2I2 7.7
Perbedaan utama trafo arus dengan trafo daya adalah:
a. Jumlah belitan kumparan primer sangat sedikit, tidak lebih dari lima belitan.
b. Arus primer tidak dipengaruhi beban yang terhubung pada kumparan
sekundernya, karena arus primer ditentukan oleh arus pada jaringan yang
diukur.
c. Semua beban pada kumparan sekunder dihubungkan seri.
d. Terminal sekunder trafo arus tidak boleh terbuka, oleh karena itu terminal
kumparan sekunder harus selalu dihubungkan dengan beban atau dihubung
singkat jika bebannya belum dihubungkan.
Berikut ini akan dijelaskan mengapa terminal sekunder trafo arus tidak
boleh terbuka.
Jika arus sekunder nol, maka persamaan 7.7 menjadi:
N1I0 = N1I1
Artinya fasor N1I0 menjadi sama dengan fasor Nil, atau N1I0 semakin besar. Telah
dijelaskan bahwa N1I0 membangkitkan fluks bersama pada inti trafo. Oleh
karena itu, kenaikan N1I0 akan memperbesar fluks . Rugi-rugi inti suatu trafo
berbanding kuadrat dengan fluks, sehingga kenaikan fluks (I) akan memperbesar
rugi-rugi inti. Rugi-rugi inti menimbulkan panas pada inti trafo, sehingga
temperatur inti semakin tinggi. Akibatnya isolasi kumparan trafo rusak dan hal ini
akan menimbulkan hubung singkat pada kumparan. trafo, Di samping itu, gaya
gerak listrik yang dibangkitkan pada kumparan sekunder juga akan bertambah
besar. Hal ini dapat menimbulkan kerusakan pada isolasi kumparan.
7.3 Galat Rasio dan Galat Sudut Trafo Arus
Pengaruh arus beban nol ini terlihat pada diagram fasor gambar 7.2. terlihat
bahwa arus beban nol mengakibatkan dua hal, yaitu :
Gambar 7.2 Diagram Fasor Ampere Belitan Trafo Arus
a. hal ini menimbulkan terjadinya galat perbandingan
b. Fasor I1 tidak sefasa lagi dengan I2, hal ini menimbulkan kesalahan sudut
Misalkan perbandingan belitan sekunder dengan primer suatu trafo arus
adalah :
7.8
Saat trafo arus ini digunakan mengukur arus I1, ternyata arus di
sekundernya adalah I2, maka galat rasionya didefinisikan sebagai berikut :
7.9
Galat sudut fasa adalah , yaitu sudut fasa fasor (N1I1) dengan fasor (-
N2I1).
Karena sudut relatif kecil, maka proyeksi N1I1 pada N2I2 dapat dianggap
sama dengan jumlah N2I2 dengan proyeksi N1I0 pada N2I2. sehingga dapat
dituliskan :
N1I1 = N2I2 + N1I0 cos (0 - 2) 7.10
7.11
Jika faktor perbandingan aktual trafo arus adalah k1, maka persamaan 7.10
dapat dituliskan sebagai berikut :
7.12
Persamaan 7.9 dapat dituliskan sebagai berikut :
7.13
Substitusi persamaan 7.12 ke persamaan 7.13 diperoleh :
7.14
Karena sangat kecil, maka tg dapat dianggap sama dengan , sehingga dapat
ditulis :
7.15
Jika I0 N1 cos (0 - 2) sangat kecil dibandingkan dengan N2 I2, dan 0 = 900
sehingga sin (0 - 2) = cos 2, maka galat sudut dapat ditulis :
7.16
Persamaan 7.14 dan 7.15 menunjukkan bahwa faktor-faktor yang mempengaruhi
galat suatu trafo arus adalah :
a. Arus beban nol I0
b. Arus sekunder (besaran dan faktor dayanya)
c. Frekuensi, karena I2, I0, 2 tergantung kepada frekuensi
Pada gambar 7.3 ditunjukkan pengaruh arus sekunder terhadap galat rasio dan
galat sudut.
Gambar 7.3 Pengaruh arus sekunder terhadap galat trafo arus
Untuk memperkecil I0, maka reluktansi rangkaian magnetik inti trafo arus harus
kecil. Hal ini dapat dilakukan dengan membuat inti dari bahan yang
permeabilitasnya tinggi atau memperbesar luas penampang inti trafo.
Dilihat dari sisi sekunder, arus beban nol pada suatu trafo dapat dituliskan sebagai
berikut :
7.17
Dimana :
H = gaya gerak magnetik
l = panjang lintasan magnetik pada inti trafo
0 = permeabilitas udara
r = permeabilitas relatif inti trafo
Dari persamaan 7.6 dapat diperoleh harga rapat magnetik B dan jika harga ini
disubstitusi ke dalam persamaan 7.17 maka diperoleh :
7.18
Menurut persamaan di atas, arus I0 dapat diperkecil dengan memperpendek
lintasan rangkaian magnetik atau membuat inti dari bahan yang permeabilitasnya
tinggi atau memperbesar luas penampang inti trafo. Dari beberapa hubungan
penting ini dapat dilihat bahwa perancangan trafo arus sangat unik. Galat
sebanding dengan panjang jalur magnet pada inti besi l dan berbanding terbalik
dengan luas penampang inti besi A. Penambahan l yang dilakukan untuk
mengurangi kekuatan medan listrik pada isolasi membutuhkan penambahan
volume inti secara kuadratik, agar galat tidak berubah. Oleh karena itu dibutuhkan
jenis konstruksi yang sangat kompak untuk mendapatkan panjang besi yang
sekecil mungkin. Hal penting yang berpengaruh terhadap parameter adalah gaya
gerak magnet, di mana :
I1n N1 = I2n N2
Karena arus-lilitan sekunder adalah parameter tetap, perubahan galat
berbanding terbalik dengan kuadarat arus-lilitan pengenal. Hal ini menunjukkan
bahwa harus dipilih arus-lilitan pengenal sedemikian hingga pada arus primer
pengenal yang ditentukan, jumlah belitan primer sebesar mungkin untuk menjaga
agar galat kecil. Tetapi dalam hal ini, jika terjadi arus hubung singkat akan timbul
gaya magnetik yang besar pada belitan yang mengakibatkan tekanan dinamis yang
besar.
Untuk trafo arus akurasi tinggi inti dibuat dari bahan campuran besi nikel.
Permeabilitas dari bahan ini tinggi sekalipun pada nilai induksi rendah.
Kekurangannya adalah pengurangan permeabilitas yang curam pada induksi yang
relatif rendah. Pada trafo arus untuk proteksi, di mana keakuratan mengambil
tempat kedua dari pada penambahan kawasan pengukuran, inti terbuat dari
campuran besi-silikon yakni bahan yang mempunyai saturasi induksi yang tinggi.
7.4 GALAT KOMPOSIT
Unjuk kerja suatu trafo arus pada saat primernya dialiri arus hubung
singkat, digambarkan dengan faktor arus lebih n, di mana saat arus primer sama
dengan nI1, galat masih dalam batas yang ditentukan. Gambar 7.4 menunjukkan
ketergantungan arus sekunder kepada arus primer I1. karakteristik sebuah trafo
yang ideal adalah seperti garis lurus yang terputus-putus (garis a), sedang
karakteristik trafo yang sebenarnya adalah seperti garis bersambung (garis b), hal
ini terjadi karena adanya kejenuhan inti.
Gambar 7.4 Arus sekunder vs arus primer
Untuk penggunaan pengukuran biasanya dioperasikan pada bagian kurva
yang linier. Trafo arus proteksi harus lambat mengalami kejenuhan ; biasanya
memiliki faktor arus lebih yang tinggi yakni n = 10. Trafo arus untuk pengukuran
harus segera jenuh untuk melindungi peralatan agar tidak kelebihan beban, oleh
karena itu trafo arus ini memiliki faktor arus lebih yang rendah yakni n = 5.
Kenyataannya pada daerah arus lebih, kurva waktu dari arus sekunder
trafo dengan inti besi tertutup mengalami penyimpangan yang cukup besar dari
bentuk sinusoidalnya. Perbandingan arus magnetisasi efektif dengan arus
sekunder disimbolkan sebagai galat komposit :
7.19
Di mana:
Ip = arus primer (rms)
ip = arus sesaat primer
is = arus sesaat sekunder
T = satu periode
kn = rasio transformasi nominal
Telah dibuat standar yang menyatakan batas galat dan faktor pengali arus
lebih untuk suatu trafo arus, di mana simbol M menunjukkan trafo arus untuk
pengukuran dan simbol P menunjukkan trafo arus untuk proteksi. Sebagai contoh
0.5/M5, menunjukkan trafo arus adalah untuk pengukuran, batas galat adalah
0,5% jika arus lima kali arus pengenal primer. Contoh lain 10P20, ini
menunjukkan trafo arus adalah untuk keperluan proteksi, di mana untuk arus
primer 20 kali arus pengenal primer, total galat 10%.
7.5 SPESIFIKASI TEKNIK TRAFO ARUS
Berikut ini akan dijelaskan spesifikasi teknik suatu trafo arus.
a. Burden :
Adalah impedansi beban yang terpasang pada terminal sekunder trafo arus,
dinyatakan dalam ohm dan faktor daya. Dapat juga dinyatakan dalam daya (VA)
yang diserap beban pada suatu harga arus dan faktor daya tertentu.
b. Arus Keamanan Instrumen (Rated Instrument Security Current), I,
Adalah arus primer yang ditetapkan pembuat trafo sebagai arus efektif terendah
yang menimbulkan arus sekunder (Iss), di mana saat itu arus sekunder dikali rasio
transformasi (kn) tidak melehihi 0,9 arus primer tersebut dan burden sama dengan
burden pengenal trafo. Pernyataan ini dapat dituliskan dengan persamaan berikut
ini:
kn Iss < 0,9 Ips 7.20
c. Faktor Keselamatan Instrument (Instrument Security Factor), Fs
Adalah perbandingan arus keamanan dengan arus pengenal primer atau
dapat dituliskan :
7.21
d. Galat Komposisi
Adalah galat gabungan karena adanya galat rasio, galat sudut, dan
perbedaan bentuk gelombang arus sekunder dengan arus primer. Biasanya
dinyatakan dalam persen arus primernya seperti dinyatakan dalam persamaan 7.9.
e. Arus Primer Batas Ketelitian (Rated Accuracy Limit Primary Current)
Adalah arus primer tertinggi (cm) di mana ketelitian belum melebihi batas
ketelitiannya.
f. Faktor Batas Ketelitian (Accuracy Limit Factor)
Adalah perbandingan arus primer batas ketelitian dengan arus pengenal
primer atau dinyatakan sebagai berikut:
7.22
g. Arus Eksitasi
Adalah harga efektif arus sekunder bila sekunder diberi tegangan
sinusoidal frekuensi pengenal, sedang terminal primer terbuka.
h. Tegangan Lutut
Adalah harga tegangan sinusoidal berfrekuensi nominal yang diberikan
pada sisi sekunder sedang terminal primernya terbuka, di mana saat tegangan
bertambah 10% terjadi penambahan arus eksitasi 50 %.
i. Trafo Arus Reaktansi Tinggi
Adalah trafo arus di mana efek fluks bocor sedemikian sehingga kinerja
trafo tidak dapat diduga melalui pengetahuan akan arus eksitasi, tahanan
kumparan, dan rasio belitan.
j. Trafo Arus Reaktansi Rendah
Adalah trafo arus di mana kinerjanya dapat diperkirakan dengan
mengetahui arus eksitasi, tahanan belitan sekunder, dan rasio belitan.
k. nP
Adalah trafo arus yang mempunyai galat komposisi n % pada saat arus
primer sama dengan arus primer batas ketelitian (Ipm).
l. Arus Thermis Waktu Singkat (Thermal Short Time Current), Its
Adalah arus efektif tertinggi yang dapat dipikul trafo arus dalam 1 detik
tanpa menimbulkan perubahan sifat mekanik dan karakteristik listrik pada trafo
itu sendiri. Perbandingan arus thermis waktu singkat dengan arus pengenal primer
trafo (Ipn) disebut faktor thermis waktu singkat, atau:
7.23
m. Arus Dinamis Waktu Singkat (Dynamic Short Time Current), Ids
Adalah harga puncak arus tertinggi yang dapat mengalir di kumparan
primer trafo arus selama setengah periode, tanpa menimbulkan perubahan pada
karakteristik trafo. Perbandingan arus dinamis waktu singkat dengan arus puncak
pengenal primer trafo disebut faktor dinamis waktu singkat, atau;
7.24
7.6 JENIS-JENIS TRAFO ARUS
7.6.1 JENIS MENURUT JUMLAH KUMPARAN PRIMER
Jenis trafo arus ditinjau dari konstruksi belitan primernya terdiri atas jenis
kumparan (wound type) dan jenis bar (bar type).
Jenis kumparan digunakan untuk pengukuran arus rendah atau burden
yang besar atau pengukuran yang memerlukan ketelitian tinggi. Jumlah belitan
primernya tergantung pada arus primer yang akan diukur, biasanya dibatasi tidak
lebih dari 5 belitan dan dirancang menghasilkan gaya gerak magnet kira-kira
1.200 ampere belitan. Meskipun dimungkinkan memperoleh trafo arus yang
rnemiliki burden besar dan ketelitian yang tinggi, adalah tidak lazim memilih trafo
arus yang burden dan ketelitiannya melebihi kebutuhan. Penambahan jumlah
belitan primer akan mengurangi faktor thermal dan dinamis arus hubung singkat.
Jenis bar digunakan untuk pengukuran arus besar (ribuan ampere).
Konstruksinya sangat sederhana dan kokoh sehingga trafo ini mampu
menahan arus hubung singkat yang besar, atau dengan perkataan lain mempunyai
faktor thermis dan dinamis waktu singkat yang tinggi. Keburukannya bahwa
efisiensi pengukuran yang lebih tinggi, yakni ukuran inti yang ekonomis, didapat
hanya pada arus pengenal yang besar, yakni kira-kira 1000A.
7.6.2 JENIS MENURUT JUMLAH RASIO
Supaya trafo arus dapat digunakan untuk mengukur arus yang besar, maka
belitan primer biasanya dibagi ke dalam beberapa kelompok yang dapat
dihubungkan seri atau paralel. Dengan demikian perbandingan transformasi
pengenal trafo dapat bervariasi, misalnya hingga 1:2:4 arus pengenal, dan pada
keadaan itu unjuk kerja galat tetap tidak berubah.
Jenis trafo arus dilihat dari banyaknya rasio yang disediakan terdiri atas
trafo arus rasio tunggal dan trafo arus rasio ganda. Pada trafo arus jenis bar, rasio
ganda diperoleh dengan membuat sadapan di kumparan sekundernya. Tetapi perlu
diperhatikan bahwa daya keluaran sebanding dengan kuadrat ampere-belitan
sekundernya. Jika rasio dikurangi menjadi setengah maka kapasitas dayanya
berkurang menjadi seperempat dari semula. Rasio ganda pada trafo arus jenis
kumparan diperoleh dengan merangkai kumparan primernya dalam hubungan
seperti ditunjukkan pada gambar 7.5
Gambar 7.5 Rangkaian kumparan Gambar 7.6 Trafo arus inti gandaPrimer untuk memperoleh rasio ganda
Jika arus pengenal masing-masing kumparan dimisalkan 100 A, maka arus
pengenal jika dirangkai seperti pada Gambar 7.5.b menjadi 200 A dan jika
dirangkai seperti pada Gambar 7.5.c menjadi 400 A. Rancangan seperti ini sangat
menguntungkan terutama jika tidak ada arus hubung singkat yang mengalir pada
sisi primernya, misalnya trafo arus yang digunakan di laboratorium. Beberapa
ragam rasio dapat diperoleh tanpa mengorbankan burden dan ketelitian.
7.6.3 JENIS MENURUT JUMLAH INTI
Berdasarkan jumlah intinya, trafo arus dapat juga dibagi atas dua jenis,
yaitu trafo arus inti tunggal dan trafo arus inti ganda. Trafo arus inti ganda
digunakan jika sistem membutuhkan arus untuk pengukuran dan proteksi. Pada
Gambar 7.6 ditunjukkan trafo arus dua inti, satu intinya digunakan untuk
keperluan proteksi dan satu lagi untuk keperluan pengukuran. Inti yang digunakan
untuk pengukuran terbuat dari bahan yang jenuh pada arus rendah, sehingga besar
anus sekunder tetap dalam hatas kemampuan ammeter sekalipun arus di primer
naik beberapa puluh kali arus pengenalnya, sehingga ammeter tidak rusak pada
saat arus primer sangat besar. Sebaliknya, inti yang digunakan untuk rele proteksi
harus terbuat dari bahan yang jenuh pada arus tinggi, sehingga arus sekunder tetap
sebanding dengan arus primer sampai sepuluh atau lima belas kali arus pengenal
primer.
Gambar 7.7 Trafo arus jenis pendukung dan jenis bushing
Trafo arus bertegangan tinggi untuk gardu induk pasangan luar dibuat dengan
isolasi minyak kertas dan ditempatkan dalam kerangka porselen. Jenis konstruksi
trafo ini dibedakan atas susunan bagian-bagian aktifnya (inti, belitan) yaitu jenis
tangki logam, jenis kerangka isolasi dan jenis gardu (gambar 7.8). trafo arus jenis
gardu memiliki kelebihan dimana penyulang pada rangkaian primernya lebih
pendek, digunakan untuk arus pengenal dan arus hubung singkat yang besar.
Gambar 7.8 Trafo arus tegangan tinggi
7.6.4 JENIS MENURUT KONSTRIJKSI ISOLASI
Konstruksi trafo arus dengan isolasi epoksi-resin sering dipakai untuk
pasangan luar sampai tegangan 110 kV. Pada tegangan menengah, umumnya
digunakan trafo arus epoksi-resin, karena trafo epoksi-resin memiliki kekuatan
hubung singkat belitan lebih tinggi, sebab semua belitannya tertanam dalam bahan
isolasi. Pada Gambar 7.7 ditunjukkan, trafo arus epoksi-resin jenis pendukung dan
jenis bushing.
Trafo arus bertegangan tinggi untuk gardu induk pasangan luar dibuat
dengan isolasi minyak-kertas dan ditempatkan dalam kerangka porselen. Jenis
konstruksi trafo ini dibedakan atas susunan bagian-bagian aktifnya (inti, belitan),
yaitu jenis tangki logam, jenis kerangka isolasi dan jenis gardu (Gambar 7.8).
Trafo arus jenis gardu memiliki kelebihan di mana penyulang pada rangkaian
primernya lebih pendek, digunakan untuk arus pengenal dan arus hubung singkat
yang besar.
Pada sistem isolasi koaksial seperti pada kabel, bushing trafo atau rel daya
yang diisolasi dengan SF6, selalu mungkin dibuat trafo arus konduktor tunggal
tanpa isolasi khusus. Dalam hal ini sangat sering digunakan inti berbentuk cincin
dengan belitan sekunder yang dibelit secara seragam pada cincin dan dimasukkan
dalam isolasi, dengan demikian terbuka jalan untuk membawa lapisan terluar
bagian yang dibumikan keluar dari trafo arus. Pada Gambar 7.9 ditunjukkan
sebuah trafo arus inti cincin di dalam rel daya gardu induk yang diisolasi dengan
SF6 (GIS),
Gambar 7.9 Trafo arus inti cincin di dalam rel daya isolasi SF6
7.7 DATA PENGENAL TRAFO ARUS
Setiap trafo arus harus dilengkapi dengan spesifikasi pengenal seperti
berikut ini :
a. Arus primer
Arus pengenal primer antara lain adalah: 50, 150, 200, 300 A, dan
sebagainya.
b. Arus sekunder
Arus pengenal sekunder biasanya: 5, 2 dan 1 A. Arus pengenal 2 dan 1 A
digunakan: jika kabel penghubung panjang sehingga jumlah impedansi
meter atau rele dengan impedansi kabel lebih besar daripada burden; atau
jika jumlah belitan kumparan sekunder sedikit sehingga rasio tidak dapat
diubah dengan mengubah jumlah belitan sekundernya.
c. Frekuensi
Frekuensi pengenal sama dengan frekuensi sistem, 50Hz atau 60 Hz.
d. Arus thermal kontinu
Adalah arus kontinu tertinggi yang menimbulkan temperatur trafo arus
sama dengan temperatur yang diizinkan. Jika pengenal ini tidak diberikan,
nilainya dapat ditetapkan sama dengan arus pengenal primer.
e. Daya keluaran
Adalah daya (VA) yang diambil trafo arus saat arus sekunder sama dengan
arus pengenal sekunder dan impedansi beban yang terhubung di terminal
sekunder sama dengan burden pengenal. Daya keluaran pengenal trafo
arus yang sudah distandarisasi antara lain adalah: 2,5 , 5, 7,5 , 10, 15 dan
30 VA
f. Burden
Adalah impedansi dan cos beban yang membuat arus sekunder sama
dengan arus pengenal sekunder saat arus di primer sama dengan arus
pengenal primer.
g. Arus thermal waktu singkat
Besar arus thermal waktu singkat ditentukan lebih besar atau sama dengan
arus hubung singkat tertinggi yang diperkirakan akan mengalir pada
kumparan primer trafo arus, atau tidak boleh kurang dari arus pemutusan
pemutus daya yang bekerja sama dengan trafo arus tersebut.
h. Arus dinamis waktu singkat
Arus dinamis waktu singkat tidak kurang dari 2,5 kali arus thermal waktu
singkat.
i. Tingkat isolasi
Untuk tegangan pengenal yang sama, tingkat isolasi trafo arus sama
dengan trafo tegangan.
j. Ketelitian
Kelas ketelitian dan galat yang diizinkan diberikan pada Tabel 7.1 di
bawah ini.
Table 7.1
Kelas Ketelitian Trafo Atas
Kelas (%) (menit) Arus
0.1
0.2
0.5
1.0
3.0
5.0
0.1
0.2
0.5
1.0
3.0
5.0
5
10
30
60
-
-
100% arus nominal
Ketelitian trafo arus yang digunakan untuk proteksi, ditentukan oleh galat
komposisi tertinggi yang diizinkan pada saat batas ketelitian arus primer sama
dengan yang ditetapkan untuk kelasnya. Kelas trafo arus ini dinyatakan dengan
tanda “nP”, dimana n menunjukkan kelas ketelitian dan P menunjukkan trafo arus
adalah untuk proteksi. Batas ketelitian trafo arus yang digunakan untuk proteksi
diberikan pada table 7.2.
Table 7.2
Batas ketelitian trafo arus proteksi
Kelas Galat rasio ()
saat arus primer =
arus pengenal
Galat sudut ()
saat arus primer =
arus pengenal
Galat komposit
saat dan =
galat pengenal
5P
10P
15P
1.0
3.0
5.0
60.0
-
-
5
10
15
Trafo arus proteksi untuk keperluan khusus diberi tanda “nPS”. Trafo arus khusus
ada dua jenis, yaitu trafo arus reaktansi rendah dan trafo arus reaktansi tinggi.
Trafo arus reaktansi rendah perlu dilengkapi dengan spesifikasi berikut ini :
a. Arus pengenal primer
b. Perbandingan belitan sekunder dengan belitan prirner
c. Tegangan lutut
d. Arus eksitasi saat tegangan sama dengan tegangan lutut atau dalam
persentase tegangan lutut
e. Tahanan kumparan sekunder pada temperatur 750 C
Sedang kinerja trafo arus reaktansi tinggi ditetapkan atas kesepakatan
antara pemakai dengan produsen.
7.8 PEMILIHAN TRAFO ARUS
Hal-hal berikut ini perlu dipertimbangkan dalam pemilihan trafo arus :
a. Jenisnya
b. Banyak kumparan primer
c. Kelas ketelitian masing-masing kumparan sekunder
d. Burden pengenal
e. Faktor batas ketelitian (accuracy limit factor)
f. Pengenal arus waktu singkat
g. Tingkat isolasi
h. Tegangan lutut (knee point voltage)
ad. a. Jenis trafo arus
Jika digunakan bersama pemutus daya minyak (bulk oil circuit breaker), maka
trafo arus jenis bushing adalah lebih murah. Untuk jenis pemutus daya yang lain
digunakan trafo arus jenis tonggak (post). Ada kalanya trafo arus jenis tonggak
dengan belitan terpisah digunakan bersama pemutus daya minyak. Hal ini
dilakukan karena keterbatasan burden dan ketelitian jenis bushing. Jika tegangan
pengenal sekunder dirancang 5 A, kabel ukur yang digunakan cukup panjang dan
trafo arus yang akan digunakan adalah jenis bushing, maka harus diperiksa apakah
burden total dapat dipikul oleh trafo tersebut.
ad. b. Jumlah kumparan sekunder
Umumnya trafo dilengkapi dengan dua kumparan sekunder, satu untuk alat ukur
dan satu lagi untuk keperluan rele proteksi. Jika sistem proteksi terdiri atas
proteksi primer dan proteksi cadangan, mka dibutuhkan trafo arus dengan inti
terpisah.
ad. c. Kelas Ketelitian
Ketelitian untuk berbagai trafo arus pengukuran diberikan pada Tabel 7.3.
Table 7.3
Kelas ketelitian trafo arus untuk pengukuran
Kelas Penggunaan
0.1
0.2
0.5
1.0
3.0
5.0
Pengujian yang teliti dan sebagai sub standar pada pengujian trafo arus
yang digunakan di laboratorium
Untuk laboratorium untuk pengujian meter ketelitian tinggi, dan sebagai
sub standar pada pengujian trafo arus industri
Untuk alat ukur industri ketelitian tinggi, komersial dan industri
Untuk meter komersial dan meter yang dipakai pada industri
Untuk watermeter dan ammeter
Untuk pengukuran dimana ketelitian rasio tidak terlalu penting
Ketelitian berbagai trafo arus untuk proteksi diberikan pada table 7.4
Table 7.4
Ketelitian trafo arus proteksi
No Penggunaan Kelas
1
2
3
4
5
Rele arus lebih reaksi cepat
(instantaneous over current relay)
Rele arus lebih karakteristik arus
terbalik dan waktu tunda minimum
tertentu (inverse and definitive
minimum time lag)
Rele arus tanah karakteristik arus
terbalik dan waktu tunda minimum
tertentu (inverse and definite
minimum time lag earth fault relay)
yang tidak membutuhkan stabilitas
pada saat terjadi gangguan fasa-fasa
dan peningkatan waktu yang teliti
Rele arus tanah yang membutuhkan
kestabilan pada saat gangguan fasa-
fasa dan pertambahan waktu yang
teliti.
Rele diferensial dan rele jarak
15P
Factor batas ketelitian (FBK) = 5
10P
10P P atau 15P dimana
Sn x FBK = 150
Sn = daya keluaran pengenal
Penyetelan arus rele > 20%
Burden rele pada setelan arus
pengenal 4 VA
5P
Sn x FBK = 150
5P dan 10P
ad. d. Pemilihan burden pengenal
Burden pengenal trafo arus ditetapkan lebih besar daripada burden total, yaitu
jumlah impedansi kumparan sekunder trafo, peralatan, dan kabel.
Burden total = Zs + Zm + ZR + Zk 7.22
di mana :
Zs = tahanan kumparan sekunder trafo arus
Zm = tahanan alat ukur
ZR = tahanan rele
Zk = tahanan kabel
Impedansi alat ukur dan rele dapat dihitung dengan persamaan di bawah ini :
7.23
di mana
Sn = burden peralatan (VA)
In = arus pengenal (A)
Burden alat ukur dan rele masing-masing diberikan pada Tabel 7.5 dan Tabel 7.6.
Tabel 7.5
Burden Alat Ukur pada 5A, 50 Hz
Alat Ukur Burden (VA)
Ammeter
Wattmeter
Faktor Daya meter
Perekan arus
Perekam daya
Perekam faktor daya
KWH dan KVAR meter
3
5
5
3
5
5
5
Table 7.6
Burden rele pada arus pengenal
Jenis rele Burden (VA)
Rele arus lebih
Rele arus lebih waktu terbalik
Rele arus balik
Rele daya balik
Rele daya
Rele diferensial
Rele jarak
2
1,5 – 5
1,8
0,07 – 3,5
0,23 – 11,5
0,8 – 6
2 – 25
ad. e. Faktor batas ketelitian
Untuk meter berinti besi, faktor batas ketelitian tidak perlu tinggi. Untuk
keamanan alat ukur, lebih disukai memakai trafo arus yang intinya jenuh pada
harga arus sedikit di atas kawasan arus kerja alat ukur. Untuk rele diferensial
diperlukan dua set trafo arus. Tiap set harus mempunyai karakteristik yang sama.
Faktor batas ketelitian untuk rele jarak, biasanya diambil 20, jarang di bawah 10.
Faktor batas ketelitian berhubungan dengan burden. Jika burden hanya setengah
dari burden pengenal, maka faktor batas ketelitian dapat menjadi dua kali lipat.
ad. f. Pengenal Arus Waktu Singkat
Tekanan mekanis yang dialami trafo arus pada saat hubung singkat tergantung
pada harga arus puncak tertinggi, jumlah belitan kumparan primer, dan
konfigurasi kumparan. Tekanan mekanis dapat dikurangi dengan mengurangi
jumlah belitan dan memperkecil diameter kumparan. Puncak arus tertinggi yang
dapat dipikul suatu trafo arus tergantung pada faktor dinamis waktu singkat.
Faktor ini umumnya 50 – 100. Untuk trafo komersil dapat dirancang antara 200
sampai dengan 400. Jika faktor dinamis waktu singkat lebih dari 400, maka
sebaiknya digunakan trafo arus jenis bar. Tetapi trafo arus jenis bar mempunyai
burden, ketelitian, dan faktor batas ketelitian yang terbatas. Jika ternyata burden,
ketelitian, dan faktor batas ketelitian trafo arus jenis bar tidak sesuai dengan
kebutuhan, maka dipilih trafo arus jenis belitan yang arus pengenal primernya
ditinggikan sedemikian sehirigga faktor dinamis waktu singkat tidak melebihi
400.
Setiap trafo arus harus dilengkapi dengan informasi tentang besaran dan masa
berlangsungnya arus waktu singkat. Informasi ini diperoleh dengan menghitung
arus hubung singkat terbesar jika di lokasi trafo arus terjadi gangguan hubung
singkat atau dapat juga diperoleh dari data daya pemutusan pemutus daya yang
bekerja sama dengan trafo arus tersebut. Jika penentuan besaran dan masa
berlangsungnya arus waktu singkat tidak benar, maka pada saat terjadi hubung
singkat trafo arus dapat mengalami kerusakan.
ad. g. Tingkat Isolasi
Tingkat isolasi trafo arus sama dengan trafo tegangan dan dapat ditemukan pada
IEC No. 186 tahun 1987
ad. h. Tegangan Lutut
Tegangan lutut diperhitungkan bila trafo arus dipergunakan untuk rele diferensial
dan rele jarak.
h. I. Tegangan Lutut Trafo Arus untuk Rele Diferensial
Untuk rele diferensial diperlukan dua set trafo arus dan setiap set terdiri atas tiga
unit trafo arus. Tegangan lutut tidak perlu diperhatikan jika karakteristik
magnetisasi kedua set trafo arus adalah sama; galat arus pada setiap harga arus
adalah identik, dan intinya tidak jenuh saat arus primer sama dengan arus hubung
singkat tertinggi. Tetapi dalam prakteknya adakalanya hal ini tidak terpenuhi, Jika
demikian halnya, galat rasio trafo arus perlu diperiksa agar galat tersebut tidak
terlalu besar saat terjadi arus hubung singkat terbesar. Tegangan lutut sekunder
trafo arus harus sama atau lebih besar dari harga di bawah ini :
Vk = If (Rs + RR + 2 Rk)
Di mana:
If = arus sekunder saat di primer mengalir arus hubung singkat terbesar
Rs = tahanan kumparan sekunder
RR = tahanan rele
Rk = tahanan kabel kontrol per lintasan
Arus hubung singkat keadaan tunak suatu trafo daya biasanya tidak lebih
dari 10 sampai 15 kali arus nominalnya.Tetapi untuk rele diferensial kecepatan
tinggi, arus hubung singkat yang diperhitungkan adalah arus transiennya. Arus
transien ini tergantung pada perbandingan tahanan dan reaktansi (R/X) sistem
ditinjau dari titik gangguan yang dimisalkan pada lokasi trafo arus. Nilai R/X
tergantung pada lokasi trafo arus dan semakin besar jika trafo arus semakin dekat
dengan generator. Hubungan arus transien (It) dan arus hubung singkat keadaan
tunak (Isc) adalah:
It = (X/R)0,48 Isc 7.28
di mana :
It = arus hubung singkat transien
Isc = arus hubung singkat keadaan tunak
Jika arus transien di atas tidak dapat dihitung dengan pasti, maka secara
pendekatan dapat diambil 20 kali atus pengenal trafo daya yang dilindungi.
Arus di sisi sekunder trafo arus saat di primer mengalir arus hubung
singkat terbesar adalah:
7.29
Dengan diketahuinya tegangan lutut, maka dapat dihitung faktor kejenuhan trafo
arus yang dibutuhkan, yaitu perbandingan tegangan lutut dengan tegangan
nominal sekunder trafo arus, atau dapat dituliskan sebagai berikut :
7.30
di mana:
FJ = faktor kejenuhan
I2p = arus pengenal sekunder (A)
Sn = daya pengenal trafo arus (VA)
Terlihat bahwa untuk daya pengenal yang tetap, faktor kejenuhan dapat diperkecil
dengan memperkecil arus pengenal sekunder atau memperkecil tegangan lutut.
Tegangan lutut dapat diperkecil dengan memperbesar ukuran kabel kontrol. Cara
yang dipilih adalah cara yang memberi pengurangan biaya terbesar.
h.2. Tegangan Lutut Trafo Arus untuk Rele Jarak
Tegangan lutut trafo arus rele jarak perlu dihitung untuk memeriksa kedua
hal berikut ini :
(i) agar galat arus tidak lebih dari harga 3-5 % saat rele mengukur jarak
terjauh dalam kawasan proteksi pertama
(ii) trafo arus tidak mengalami kejenuhan saat arus primer sama dengan arus
hubung singkat tertinggi
Untuk memastikan bahwa waktu kerja rele tidak begitu terpengaruh oleh
efek kejenuhan yang disebabkan adanya komponen dc pada arus transien, maka
tegangan lutut trafo arus harus memenuhi persamaan di bawah ini:
Untuk rele jarak gangguan fasa ke tanah :
7.31
Untuk rele jarak gangguan fasa ke fasa
7.32
di many R/X adalah perbandingan tahanan dengan reaktansi sistem dilihat dari
titik gangguan dan dalam hal ini titik gangguan adalah di ujung kawasan proteksi
pertama.
Untuk jaringan pendek, impedansi jaringan dilihat dari sisi sekunder trafo arus
(impedansi jaringan primer x ratio trafo arus/rasio trafo tegangan) dapat diambil Zj
= 2 Ohm, sedang impedansi sumber dapat diambil Zs = 1 Ohm. Untuk jaringan
panjang, impedansi jaringan dilihat dari sisi sekunder trafo arus dapat diambil Z j =
16 Ohm. Jika tegangan sekunder trafo tegangan 110 V, maka arus hubung singkat
3-fasa dilihat dari sisi sekunder dapat dihitung:
Arus hubung singkat fasa ke tanah tergantung kepada perbandingan impedansi
urutan nol (Z0) dan impedansi urutan positif (Z1) jaringan yang diproteksi. Jika Z0
dimisalkan 4 kali Z1 dan sama dengan impedansi urutan positip sumber (Z1S),
maka saat terjadi hubung singkat fasa ke tanah pada ujung terjauh jaringan yang
diproteksi, arus di sisi sekunder trafo arus dapat diperkirakan, yaitu: 13 A jika
jaringannya pendek (impedansi jaringan 2 Ohm) dan 2 A jika jaringannya panjang
(impedansi jaringan 16 Ohm).
Jika tegangan lutut suatu trafo arus tidak memenuhi tegangan lutut yang
dibutuhkan maka rele akan bekerja makin lambat, sehingga rele gagal
memproteksi sistem.
Jika tegangan lutut tidak memenuhi kebutuhan maka waktu kerja rele makin besar
atau rele bekerja makin lambat. Jika tadinya rele diharapkan bekerja cepat, maka
rele dinyatakan gagal memproteksi sistem.
7.9 PENGUJIAN TRAFO ARUS
Seperti halnya trafo tegangan, trafo arus juga harus melalui pengujian berikut ini.
A. Uji jenis
a. Penandaan terminal dan polaritas
b. Ketahanan tegangan tinggi ac frekuensi sistem pada kedua kumparan trafo
arus
c. Tegangan lebih antar belitan
d. Pengukuran galat
e. Pengujian arus waktu singkat
f. Pengujian kenaikan temperatur
g. Pengujian tegangan tinggi impuls
h. Pengukuran ketelitian (khusus untuk trafo arus pengukuran)
i. Arus keamanan Instrumen (khusus untuk trafo arus pengukuran)
j. Pengukuran galat rasio, sudut, dan komposit (khusus untuk trafo proteksi)
B. Uji rutin
a. Penandaan terminal dan polaritas
b. Ketahanan tegangan tinggi ac frekuensi sistem pada kedua kumparan trafo
arus
c. Tegangan lebih antar belitan
d. Pengukuran galat rasio, sudut, dan komposit (khusus untuk trafo proteksi)
e. Pengukuran ketelitian (khusus untuk trafo arus pengukuran)
Uji tambahan untuk trafo arus proteksi reaktansi rendah adalah :
a. Tegangan lutut
b. Arus eksitasi
c. Tahanan kumparan sekunder
d. Perbandingan belitan primer dengan sekunder
Prosedur pengujian dilakukan sesuai dengan standar yang disepakati
pembeli dan produsen.
7.10 INFORMASI DALAM PEMBELIAN TRAFO ARUS
Informasi tentang keadaan sistem, iklim, dan instalasi perlu dikemukakan
dalam pengadaan suatu trafo arus. Sekurang-kurangnya mengenai hal-hal di
bawah ini:
a. Tegangan dan jenis pengetanahan sistem
b. Tingkat isolasi
c. Frekuensi system
d. Rasio arus pengenal dan jumlah rasio
e. Pengenal output untuk setiap inti
f. Faktor batas ketelitian arus
g. Kelas ketelitian untuk setiap inti
h. Khusus untuk trafo arus kelas 5P:
h.l. Arus pengenal kumparan primer
h.2. Rasio belitan pengenal (N1 /N2)
h.3. Tegangan lutut
h.4. Tahanan kumparan sekunder maksimal
h.5. Batas arus eksitasi
i. Arus thermal kontinu
j. Arus waktu singkat dan masa berlangsungnya
k. Kondisi cuaca, lingkungan, dan ketinggian lokasi penempatan trafo arus
l. Lokasi pemasangan (pasangan dalam atau pasangan luar)