TRANSFORMATOR DISTRIBUSI

Transformator yang biasa diistilahkan dengan transformer atau ‘trafo’ adalah suatu alat untuk “memindahkan” daya listrik arus bolak-balik ( alternating current ) dari suatu rangkaian ke rangkaian lainnya berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik ( EMF Induction ) yang terjadi antara 2 induktor ( kumparan ) atau lebih.

 INTI BESI

Inti besi berfungsi untuk mempermudah jalan fluksi, magnetik yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melalui kumparan. Dibuat dari lempengan-lempengan besi tipis yang berisolasi, untuk mengurangi panas (sebagai rugi-rugi besi) yang ditimbulkan oleh Eddy Current.

KUMPARAN TRANSFORMATOR

Kumparan transformator adalah beberapa lilitan kawat berisolasi yang membentuk suatu kumparan atau gulungan. Kumparan tersebut terdiri dari kumparan primer dan kumparan sekunder yang diisolasi baik thgerhadap inti besi maupun terhadap antar kumparan dengan isolasi padat seperti karton, pertinak dan lain-lain. Kumparan tersebut sebagai alat transformasi tegangan dan arus.

Bagian terenting dan mendasar dari sebuath trafo adalah :

•      Kumparan Primer ( primere winding ) yang dihubungkan dengan sumber listrik
•      Kumparan Sekunder ( secundery winding ) yang dihubungkan dengan beban
•      Inti / Teras / Kren ( core ) yang berfungsi menyalurkan GGL induksi antr kedua kumparan

 Perhatikan sketsa berikut :

1. PRINSIP TEKNIS KERJA TRAFO :

Dalam parktek, dikenal 3 sistem pendeteksian dan pengendalian, yaitu :

Apabila kumpatan primer dihubungkan dengan sumber tegangan dengan arus bolak balik (AC), maka arus I1 akan mengalir pada kumparan primer, dan menimbulkan flux magnet yang berubah- ubah sesuai frekuensi arus I1 pada kernel trafo, dan menimbulkan GGL induksi e? pada kumparan primer. Besarnya GGL induksi e? adalah :

e? = - N? d / dt volt ………………………………….. (1)

dengan : e? = GGL Induksi primer

N? = Jumlah lilitan primer

d = Jumlah GGM, dalam weber

dt = Perubahan waktu, dalam detik

Perubahan flux magnetik yang menginduksi GGL ep adalah flux bersama (mutual flux), sehingga GGL induksi muncul pada kumparen sekunder sebagai es yang besarnya adalah :
es = Ns (d / dt) volt ……………………… (2)

dengan Ns = jumlah lilitan kumparan sekunder dari (1) dan (2), perbandingan lilitan dapat didapat dari perbandingan lilitan sebagai berikut :

a = ep / es = Np / Ns …………………. (3)

dengan a = rasio perbandingan lilitan (turn ratio) transformator

Karena rasio perbandingan tegangan berbanding lurus dengan rasio perbandingan lilitan, maka apabila a<1 maka trafo berfungsi sebagai penurun tegangan (step down transformer), dan apabila nilai a>1 maka fungsinya adalah untuk menaikkan tegangan (step up transformer).
Flux pada saat dinyatakan dengan f(t) = fm sin wt dengan m = nilai flux maksimum ( webwer), sehingga GGL pada kumparan primer adalah :

ep = Np d / dt

ep = Np d m sin ?t / dt

ep = Np ? m cos ?t

ep = Np ? m sin (?t - ?/2)

GGL induksi primer maksimum adalah (ep)max = - Np ? m, melalui persamaan :

ep = (Ep)max / ?2

= Np ? m / ?2

= 2? Np ? m ?2 / 2

= 3,14. 1.41 f Np m

ep = 4,44 f Np m ……………………………… (4)

dengan cara yang sama diperoleh :

es = 4,44 f Nsm ………………………………… (5)

Apabila transformer dianggap ideal, tanpa rugi-rugi daya, maka daya input Pi dianggap sama dengan daya output Po. Sehingga dari ( 3 ) didapat:

U1.I1 = U2.I2

a = Np/Ns = U1/U2 = I1/I2 ………………….. (6)

Persamaan (5) dan (6) inilah yang biasa digunakan sebagai pendekatan dalam praktek pengawasan di lapangan.

2. JENIS / TIPE TRANSFORMATOR :

1. Jenis transformator berdasarkan fungsinya- Trafo step-up- Trafo step-down
2. Jenis transformator berdasarkan perbandingan antara jumlah lilitan primer dan jumlah lilitan skunder- Trafo step-up- Trafo step-down
3. Jenis transformator catu daya- Trafo engkel- Trafo CT
4. Jenis tranformator berdasarkan inti- Trafo tipe shell- Trafo tipe inti
5. Transformator berdasarkan kegunaan- Trafo tenaga- Ototransformator

6.      Jenis transformator berdasarkan jenis fasa tegangan- Trafo satu fasa- Trafo tiga fasa

3. JENIS / TIPE DAN KLASIFIKASI TRAFO :

Sesuai dengan penjelasan diatas, maka sebuah transformator distribusi berfungsi untuk  menurunkan tegangan transmisi menengah 20 kV ke tegangan distribusi 220/380V sehingga dengan demikian, peralatan utamanya adalah unit trafo itu sendiri ( umumnya jenis 3 phase ).

1.      KUMPARAN TERSIER :

Selain kedua kumparan ( primer dan sekunder ) ada beberapa trafo yang dilengkapi dengan kumparan ketiga atau kumparan tersier ( tertiary winding ). Kumparan tersier diperlukan untuk memperoleh tegangan tersier atau untuk kebutuhan lain. Untuk kedua keperluan tersebut, kumparan tersier selalu dihubungkan delta. Kumparan tersier sering dipergunakan juga untuk penyambungan peralatan bantu seperti kondensator synchrone, kapasitor shunt dan reactor shunt, namun demikian tidak semua trafo daya mempunyai kumparan tersier.

2.      MEDIA PENDINGIN / TANGKI KONSERVATOR :

Khusus jenis trafo tenaga tipe basah, kumparan-kumparan dan intinya direndam dalam minyak - trafo, terutama trafo - trafo tenaga yang berkapasitas besar, karena minyak trafo mempunyai sifat sebagai media pemindah panas dan bersifat pula sebagai isolasi (tegangan tembus tinggi) sehingga berfungsi sebagai media pendingin dan isolasi. Untuk itu minyak trafo harus memenuhi persyaratan sbb. :

1.      ketahanan isolasi harus tinggi ( >10 kV/mm )

2.      Berat jenis harus kecil, sehingga partikel-partikel inert di dalam minyak dapat mengendap dengan cepat.

3.      Viskositas yang rendah agar lebih mudah bersirkulasi dan kemampuan pendinginan   menjadi lebih baik.

4.      Titik nyala yang tinggi, tidak mudah menguap yang dapat membahayakan.

5.      Tidak merusak bahan isolasi padat ( sifat kimia )

 3.      BUSHING  TRAFO:

            Merupakan penghubung antara kumparan trafo ke jaringan luar. Bushing adalah sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator, yang sekaligus berfungsi sebagai penyekat antara konduktor tersebut dengan tangki trafo.

4.      TAP CHANGER :

Tap Changer adalah perubah perbandingan transformator untuk mendapatkan tegangan operasi sekunder sesuai yang diinginkan dari tegangan jaringan / primer yang berubah -ubah. Tap changer dapat dioperasikan baik dalam keadaan berbeban ( on-load ) atau dalam keadaan tak berbeban ( off load ), tergantung jenisnya.

5.      BREATHER :

Karena pengaruh naik turunnya beban trafo maupun suhu udara luar, maka suhu minyakpun akan berubah-ubah mengikuti keadaan tersebut. Bila suhu minyak tinggi, minyak akan memuai dan mendesak udara di atas permukaan minyak keluar dari dalam tangki, sebaliknya bila suhu minyak turun dan volumenya menyusut maka udara luar akan masuk ke dalam tangki.

Proses di atas disebut pernapasan trafo. Hal tersebut menyebabkan permukaan minyak trafo akan selalu bersinggungan dengan udara luar yg menurunkan nilai tegangan tembus minyak trafo. Untuk mencegah hal tersebut maka pada ujung pipa penghubung udara luar dilengkapi tabung khusus yg berisi kristal yg bersifat hygroskopis.

6.      INDIKATOR TRAFO :

1.      Indikator suhu minyak

2.      Indikator permukaan minyak

3.      Indikator sistem pendingin

4.      Indikator kedudukan tap

7.      PERLATAN PENGAMAN :

Setiap unit trafo distribusi selalu dilengkapi dengan peralatan pengaman, yang mengamankan trafo khususnya fisis, elektris maupun kimiawi. Beberapa peralatan pengaman yg umum dikenal, antara lain:

1.      Bucholz rele :

Rele ini berfungsi mendeteksi dan mengamankan trafo terhadap gangguan di dalam tangki yang menimbulkan gas. Gas dapat timbul diakibatkan oleh :

1.      Hubung singkat antar lilitan pada/dalam phasa

2.      Hubung singkat antar phasa atau phasa ke tanah

3.      Busur api listrik antar laminasi atau karena kontak yang kurang baik.

 2.      Over pressure rele :

Rele ini berfungsi hampir sama seperti rele Bucholz, yakni mengamankan terhadap gangguan di dalam trafo. Bedanya rele ini hanya bekerja oleh kenaikan tekanan gas yang tiba-tiba dan langsung mentripkan CB pada sisi upstream-nya.

3.      Differential rele :

Berfungsi mengamankan trafo dari gangguan di dalam trafo antara lain flash over antara kumparan dengan kumparan, kumparan dengan tangki atau belitan dengan belitan di dalam kumparan ataupun antar kumparan.

4.      Thermal rele :

Berfungsi untuk mengamankan trafo dari kerusakan isolasi kumparan, akibat adanya panas berlebih yang ditimbulkan oleh arus lebih ( over current ). Parameter yang diukur oleh rele ini adalah kenaikan temperatur.

Saat ini keempat jenis reley tersebut diintegrasikan pada satu jenis rele yang dikenal dengan DGPT2. Notasi DGPT2 berarti :

- D = Differential rele

- G = Gas rele

- P = Pressure rele

- T2= Temperature ( thermal ) rele dengan 2 thermostat, masing masing digunakan untuk men-triger alarm dan yang lainnya untuk mengoperasikan kumparan shunt pada CB di sisi upstream, untuk memutuskan / men-trip pasokan daya ke trafo.

5.      OCR ( Over Current Reley) :

Berfungsi mengamankan trafo arus yang melebihi nilai yang diperkenankan lewat pada trafo tersebut. Arus lebih dapat terjadi oleh karena beban lebih atau gangguan hubung singkat.

6.      Reley tangki tanah :

Berfungsi untuk mengamankan trafo bila terjadi hubung singkat antara bagian yang bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan pada trafo.

7.      Restricted Earth Fault rele :

Berfungsi untuk mengamankan trafo bila terjadi gangguan hubung singkat 1 phasa ke tanah. 

TRANSFORMATOR INSTURMENTS

Current Transformer (CT) adalah suatu perangkat listrik yang berfungsi menurunkan arus yang besar menjadi arus dengan ukuran yang lebih kecil. CT digunakan karena dalam pengukuran arus tidak mungkin dilakukan langsung pada arus beban atau arus gangguan, hal ini disebabkan arus sangat besar dan bertegangan sangat tinggi. Karakteristik CT ditandai oleh Current Transformer Ratio (CTR) yang merupakan perbandingan antara arus yang dilewatkan oleh sisi primer dengan arus yang dilewatkan oleh sisi sekunder. Potential Transformer (PT) adalah suatu peralatan listrik yang berfungsi menurunkan tegangan yang tinggi menjadi tegangan yang lebih rendah yang sesuai dengan setting relay. Trafo ini juga memiliki angka perbandingan lilitan/tegangan primer dan sekunder yang menunjukkan kelasnya.

Adapun perbedaan kerja dari transformator potensial dan transformator arus adalah:

• Pada transformator potensial, arus primer sangat tergantung beban sekunder, sedangkan pada transformator arus, arus primer tidak tergantung kondisi rangkaian sekunder
• Pada transformator potensial, tegangan jaringan dipengaruhi terminal-terminalnya sedangkan transformator arus dihubung seri dengan satu jaringan dan tegangan kecil berada pada terminal-terminalnya. Namun transformator arus mengalirkan semua arus jaringan.
• Pada kondisi kerja normal tegangan jaringan hampir konstan dan karena itu kerapatan fluks serta arus penguat dari transformator potensial hanya berubah di atas batas larangan sedangkan arus primer dan arus penguatan dari transformator arus berubah di atas batas kerja normal.

Power Transformator dibuat pada satu dari dua macam inti. Tipe konstruksi pertama terdiri dari lapisan lempengan baja segiempat sederhana dengan kumparan transformator melilit di kedua sisi persegi-empat. Kontruksi ini dikenal dengan nama core form seperti tampak pada gambar di bawah ini.

Sedangkan tipe konstruksi transformator kedua dikenal dengan nama shell form. Tipe shell form terdiri sebuah inti yang mempunyai lapisan tiga-kaki dengan kumparan melilit disekitar kaki bagian tengah (gambar dibawah ini). Pada kasus yang lain, inti dibuat berlapis-lapis yang diberi lapisan isolasi listrik disetiap lapisannya untuk mengurangi timbulnya arus eddy.

Berdasarkan penggunaannya di dalam sistem tenaga listrik, Power transformator dapat dibedakan menjadi 3 macam yaitu:

• Unit/Step Up Transformator; sebuah transformator yang dihubungkan dengan keluaran generator dan digunakan untuk menaikkan tegangan pada level transmisi (110+ kV).
• Substation/Step Down Transformator; sebuah transformator yang diletakkan di bagian akhir lajur transmisi dan digunakan untuk menurunkan tegangan dari level transmisi ke level distribusi (37,5 kV).
• Distribution transformator; transformator yang mengambil tegangan distribusi dan menurunkan tegangannya ke level tegangan akhir yang mana daya listrik akan digunakan (110, 208, 220 V, dll).

IDEAL TRANSFORMATOR

Pada transformator ideal, tidak ada energi yang diubah menjadi bentuk energi lain di dalam transformator sehingga daya listrik pada kumparan skunder sama dengan daya listrik pada kumparan primer. Pada transformator Ideal perbandingan antara tegangan sebanding dengan perbandingan jumlah lilitannya. Dengan demikian dapat dituliskan dengan persamaan berikut:

Namun, pada kenyataannya tidak ada transformator yang ideal. Hal ini karena pada transformator selalu ada rugi-rugi yang antara lain sebagai berikut:

• Rugi-rugi tembaga; rugi-rugi yang disebabkan oleh pemanasan yang timbul akibat arus mengalir pada hambatan kawat penghantar yang terdapat pada kumparan primer dan sekunder dari transformator. Rugi-rugi tembaga sebanding dengan kuadrat arus yang mengalir pada kumparan.
• Rugi-rugi arus eddy; rugi-rugi yang disebabkan oleh pemanasan akibat timbulnya arus eddy (pusar) yang terdapat pada inti besi transformator. Rugi-rugi ini terjadi karena inti besi terlalu tebal sehingga terjadi perbedaan tegangan antara sisinya maka mengalir arus yang berputar-putar di sisi tersebut. Rugi-rugi arus eddy sebanding dengan kuadrat tegangan yang disuplai ke transformator.
• Rugi-rugi hysteresis; rugi-rugi yang berkaitan dengan penyusunan kembali medan magnetik di dalam inti besi pada setiap setengah siklus, sehingga timbul fluks bolak-balik pada inti besi. Rugi-rugi ini tidak linear dan kompleks, yang dituliskan dalam persamaan:

• Fluks Bocor; kebocoran fluks terjadi karena ada beberapa fluks yang tidak menembus inti besi dan hanya melewati salah satu kumparan transformator saja. Fluks yang bocor ini akan menghasilkan induktansi diri pada lilitan primer dan sekunder sehingga akan berpengaruh terhadap nilai daya yang disuplai dari sisi primer ke sisi sekunder transformator.

RANGKAIAN EKIVALEN TRANSFORMATOR

Dalam membuat rangkaian ekivalen transformator, kita harus memperhitungkan semua ketidaksempurnaan (cacat) yang ada pada transformator yang sebenarnya. Setiap cacat utama diperhitungkan dan pengaruhnya dimasukkan dalam membuat model transformator. Effect yang paling mudah untuk dimodelkan adalah rugi-rugi tembaga. Rugi-rugi tembaga dimodelkan dengan dengan resistor Rp di sisi primer transformator dan resistor Rs di sisi sekunder transformator.

Fluks bocor pada kumparan primer ? lp menghasilkan tegangan elp yang diberikan oleh persamaan:

Sedangkan Fluks bocor pada kumparan sekunder ?ls menghasilkan tegangan els yang diberikan oleh persamaan:

Karena fluks bocor banyak yang melalui udara, kontanta reluktansi udara lebih besar daripada reluktansi inti besi, maka fluks bocor primer ?lp proporsional dengan arus primer Ip dan fluks bocor sekunder ?ls proportional dengan arus sekunder Is. Sehingga didapatkan:

Dengan Lp induktansi diri lilitan primer dan Ls induktansi diri lilitan sekunder. Dengan demikian fluks bocor pada rangkaian ekivalen transformator akan dimodelkan sebagai induktor primer dan sekunder.

Kemudian yang terakhir adalah memodelkan pengaruh dari eksitasi inti transformator, yaitu dengan memperhitungkan arus magnetisasi Im, rugi-rugi arus eddy, dan rugi-rugi hysteresis. Arus magnetisasi Im adalah arus yang sebanding dengan tegangan pada inti transformator dan lagging (tertinggal) 90 dengan tegangan supplai, sehingga dapat dimodelkan sebagai reaktansi Xm yang dipasang paralel dengan sumber tegangan primer. Arus rugi inti (arus eddy dan hysteresis) merupakan arus yang sebanding dengan tegangan pada inti transformator dan satu phase dengan tegangan supplai, sehingga dapat dimodelkan dengan hambatan Rc yang dipasang paralel dengan sumber tegangan primer. Dengan demikian maka dihasilkan model untuk real transformator sebagai berikut.

Kemudian rangkaian ekivalen diatas dapat disederhanakan dengan melihat pada sisi primer atau pada sisi sekunder. Seperti terlihat pada gambar dibawah ini: