BAB II GARDU TRAFO DISTRIBUSI -...

Click here to load reader

  • date post

    07-Feb-2018
  • Category

    Documents

  • view

    263
  • download

    13

Embed Size (px)

Transcript of BAB II GARDU TRAFO DISTRIBUSI -...

  • BAB II

    GARDU TRAFO DISTRIBUSI

    II.1 Umum

    Gardu trafo distribusiberlokasi dekat dengan konsumen. Transformator

    dipasang pada tiang listrik dan menyatu dengan jaringan listrik. Untuk

    mengamankan transformator dan sistemnya, gardu dilengkapi dengan unit-unit

    pengaman. Karena tegangan yang masih tinggi belum dapat digunakan untuk

    mencatu beban secara langsung, kecuali pada beban yang didisain khusus, maka

    digunakan transformator penurun tegangan ( step down) yang berfungsi untuk

    menurunkan tegangan menengah 20kV ke tegangan rendah 400/230Volt. Gardu

    trafo distribusi ini terdiri dari dua sisi, yaitu : sisi primer dan sisi sekunder.

    Sisi primer merupakan saluran yang akan mensuplay ke bagian sisi

    sekunder. Unit peralatan yang termasuk sisi primer adalah :

    a. Saluran sambungan dari SUTM ke unit transformator (primer trafo).

    b. Fuse cut out.

    c. Ligthning arrester.

    Gardu trafo distribusi ditunjukkan pada Gambar 2.1.

    Universitas Sumatera Utara

  • Gambar 2.1 Gardu Trafo Distribusi

    II.2 Transformator Distribusi

    Tujuan dari penggunaan transformator distribusi adalah untuk mengurangi

    tegangan utama dari sistem distribusi listrik untuk tegangan pemanfaatan

    penggunaan konsumen.Transformator distribusi yang umum digunakan adalah

    transformator step-down 20kV/400V. Tegangan fasa ke fasa sistem jaringan

    tegangan rendah adalah 380 V. Karena terjadi drop tegangan, maka pada tegangan

    rendahnya dibuat diatas 380V agar tegangan pada ujung penerima tidak lebih

    kecil dari 380V. Sebuah transformator distribusi perangkat statis yang dibangun

    dengan dua atau lebih gulungan digunakan untuk mentransfer daya listrik arus

    bolak-balik oleh induksi elektromagnetik dari satu sirkuit ke yang lain pada

    Universitas Sumatera Utara

  • frekuensi yang sama tetapi dengan nilai-nilai yang berbeda tegangan dan arusnya.

    Transformator distribusi yang terpasang pada tiang dapat dikategorikan

    menjadi :

    Conventional transformers

    Completely self-protecting ( CSP ) transformers

    Completely self-protecting for secondary banking ( CSPB ) transformers

    Conventional transformers tidak memiliki peralatan proteksi terintegrasi

    terhadap petir,gangguan dan beban lebih sebagai bagian dari trafo. Oleh karena itu

    dibutuhkan fuse cutout untuk menghubungkan conventional transformers dengan

    jaringan distribusi primer. Lightning arrester juga perlu ditambahkan untuk trafo

    jenis ini.

    Completely self-protecting ( CSP ) transformers memiliki peralatan

    proteksi terintegrasi terhadap petir, baban lebih, dan hubung singkat. Lightning

    arrester terpasang langsung pada tangki trafo sebagai proteksi terhadap petir.

    Untuk proteksi terhadap beban lebih, digunakan fuse yang dipasang di dalam

    tangki. Fuse ini disebut weak link. Proteksi trafo terhadap gangguan internal

    menggunakan hubungan proteksi internal yang dipasang antara beliran primer

    dengan bushing primer.

    Completely self-protecting for secondary banking ( CSPB ) transformers

    mirip dengan CSP transformers, tetapi pada trafo jenis ini terdapat sebuah circuit

    breaker pada sisi sekunder, circuit breaker ini akan membuka sebelum weak link

    melebur.

    Universitas Sumatera Utara

  • II.2.1 Konstruksi Transformator

    Transformator merupakan alat listrik statis yang digunakan untuk

    memindahkan daya dari satu rangkaian ke rangkaian yang lain dengan mengubah

    tegangan, tanpa mengubah daya dan frekuensi. Transformator terdiri dari dua

    kumparan yang saling berinduksi ( mutual inductance ). Kumparan ini terdiri dari

    lilitan konduktor berisolasi sehingga kedua kumparan tersebut terisolasi secara

    elektrik antara yang satu dengan yang lain. Ratio perubahan tegangan tergantung

    dari ratio perbandingan jumlah lilitan kedua kumparan itu. Kumparan yang

    menerima daya listrik disebut kumparan primer sedangkan kumparan yang

    terhubung ke beban disebut kumparan sekunder. Kedua kumparan itu dililitkan

    pada suatu inti yang terbuat dari laminasi lembaran baja yang kemudian

    dimasukkan ke dalam tangki berisi minyak trafo.

    Apabila kumparan primer dialiri arus listrik bolak balik, maka akan

    timbul fluks magnetik bolak balik sepanjang inti yang akan menginduksi

    kumparan sekunder sehingga kumparan sekunder akan menghasilkan tegangan.

    Konstruksi dasar transformator ditunjukkan pada Gambar 2.2.

    Gambar 2.2 Konstruksi Dasar Transformator

    Universitas Sumatera Utara

  • Apabila trafo diasumsi sebagai trafo ideal dimana tidak terjadi rugi-rugi

    daya pada trafo, maka daya pada kumparan primer (P1) sama dengan daya pada

    kumparan sekunder (P2). Besar tegangan dan arus pada kumparan sekunder diatur

    menggunakan perbandingan banyaknya lilitan antara kumparan primer dan

    kumparan sekunder berdasarkan rumus :

    p

    s

    s

    p

    s

    p

    II

    VV

    NN

    ........................................................................... (2.1)

    dimana :

    Np = Banyaknya lilitan kumparan sisi primer

    Ns = Banyaknya lilitan kumparan sisi sekunder

    Vp = Tegangan sisi primer (V)

    Vs = Tegangan sisi sekunder (V)

    Ip = Arus sisi primer (Amp)

    Is = Arus sisi sekunder (Amp)

    II.2.2 Prinsip Kerja Transformator

    Transformator miliki dua kumparan yaitu kumparan primer dan kumparan

    sekunder, dan kedua kumparan ini bersifat induktif. Kedua kumparan ini terpisah

    secara elektris 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 ( self induction ) dan terjadi pula induksi di

    kumparan sekunder karena pengaruh induksi dari kumparan primer atau disebut

    Universitas Sumatera Utara

  • sebagai induksi bersama ( mutual induction ) yang menyebabkan timbulnya

    fluksmagnet di kumparan sekunder, maka mengalirlah arus sekunder jika

    rangkaian sekunder dibebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan.

    dtdNe )( (Volt) ... (2.2)

    dimana :

    e = Gaya gerak listrik (Volt)

    N = Banyaknya lilitan

    dtd

    = Perubahan fluks magnetik (weber/sec)

    Tujuan utama menggunakan inti pada transformator adalah untuk

    mengurangi reluktansi (tahanan magnetis) dari rangkaian magnetis (common

    magnetic circuit).

    II.2.3 Inti Transformator

    Secara umum inti transformator dibedakan menjadi dua jenis, yaitu tipe

    inti (core type), dan tipe cangkang (shell type). Tipe inti dibentuk dari lapisan besi

    berisolasi berbentuk persegi panjang dan kumparan transformatornya dibelitkan

    pada dua sisi persegi.

    Sedangkan tipe cangkang dibentuk dari lapisan inti berisolasi dan

    kumparan transformatornya di belitkan di pusat inti. Transformator dengan tipe

    konstruksi shell memiliki kehandalan yang lebih tinggi dari pada tipe konstruksi

    core dalam menghadapi tekanan mekanis yang kuat pada saat terjadi hubung

    singkat. Kedua tipe inti transformator ini ditunjukkan pada Gambar 2.3.

    Universitas Sumatera Utara

  • (a) Tipe Inti (b) Tipe Cangkang

    Gambar 2.3Inti Transformator

    II.2.4 Minyak Transformator

    Minyak transformator memegang peranan penting dalam sistem isolasi

    trafo dan juga berfungsi sebagai pendingin untuk menghilangkan panas akibat

    rugi-rugi daya pada trafo. Kandungan utama minyak trafo adalah naftalin, parafin

    dan aromatik. Keuntungan minyak trafo sebagai isolator dalam trafo adalah :

    Isolasi cair memiliki kerapatan 1000 kali atau lebih dibandingkan dengan

    isolasi gas, sehingga memiliki kekuatan dielektrik yang lebih tinggi.

    Isolasi cairakan mengisicelah atau ruang yang akan diisolasi dan secara

    serentak melalui proses konversi menghilangkan panas yang timbul akibat

    rugi daya.

    Isolasi cair cenderung dapat memperbaiki diri sendiri (self healing) jika

    terjadi pelepasan muatan (discharge).

    Kekuatan dielektrikadalah ukuran kemampuan elektrik suatu material

    sebagai isolator. Kekuatan dielektrik didefenisikan sebagai tegangan maksimum

    yang dibutuhkan untuk mengakibatkan dielectric breakdown pada material yang

    dinyatakan dalam satuan Volt/m. Semakin tinggi kekuatan dielektrik minyak

    trafo, maka semakin bagus kualitas minyak tersebut sebagai isolator. Hasil uji

    kekuatan dielektrikyang rendah, menunjukkan adanya benda-benda pengotor

    minyak seperti air atau partikel penghantar dalam minyak. Sebaliknya, apabila

    Universitas Sumatera Utara

  • hasil uji kekuatan dielektrik tinggi, bukan berarti bahwa tidak terjadi pengotoran

    dalam minyak tersebut.

    Untuk mencegah kemungkinan timbulnya kebakaran pada peralatan, perlu

    dipilih minyak dengan titik nyala yang tinggi. Titik nyala minyak baru tidak boleh

    lebih kecil dari 135 C, sedangkan untuk minyak bekas tidak boleh kurang dari

    130 C.

    Menurut SNI 04 - 6954.2 - 2004 batas kenaikan suhu minyak bagian atas

    yang diperbolehkan adalah 60 K pada suhu lingkungan sekitar normal ( 25C

    sampai 40C ).

    II.2.5 Bushing Transformator

    Untuk tujuan keamanan, konduktor tegangan tinggi dilewatkan menerobos

    suatu bidang yang dibumikan melalui suatu lubang terbuka yang dibuat sekecil

    mungkin dan biasanya membutuhkan suatu pengikat padu yang disebut

    bushing.Konstruksi suatu bushing sederhana ditunjukkan pada Gambar 2.4.

    Gambar2.4Konstruksi Suatu Bushing Sederhana

    Bagian utama suatubushingterdiri dari inti atau konduktor, bahan

    dielektrik dan flans yang terbuat dari logam. Inti berfungsi untuk menyalurkan

    arus dari bagian dalam peralatan ke terminal luar dan bekerja pada tegangan

    tinggi. Dengan bantuan flans, isolator diikatkan pada badan peralatan yang

    Universitas Sumatera Utara

  • dibumikan.

    II.2.6 Sistem Pendingin Transformator

    Sistem pendinginan trafo dapat dikelompokkan sebagai berikut :

    1. ONAN ( Oil Natural Air Natural )

    Sistem pendingin ini menggunakan sirkulasi minyak dan sirkulasi udara

    secara alamiah. Sirkulasi minyak yang terjadi disebabkan oleh perbedaan berat

    jenis antara minyak yang dingin dengan minyak yang panas.

    2. ONAF ( Oil Natural Air Force )

    Sistem pendingin ini menggunakan sirkulasi minyak secara alami

    sedangkan sirkulasi udaranya secara buatan, yaitu dengan menggunakan

    hembusan kipas angin yang digerakkan oleh motor listrik. Pada umumnya operasi

    trafo dimulai dengan ONAN atau dengan ONAF tetapi hanya sebagian kipas

    angin yang berputar. Apabila suhu trafo sudah semakin meningkat, maka kipas

    angin yang lainnya akan berputar secara bertahap.

    3. OFAF ( Oil Force Air Force )

    Pada sistem ini, sirkulasi minyak digerakkan dengan menggunakan

    kekuatan pompa, sedangkan sirkulasi udara mengunakan kipas angin.

    II.3 Gangguan Pada Gardu Trafo Distribusi

    II.3.1 Gangguan Sambaran Petir

    Gangguan sambaran petir dibagi atas dua, yaitu sambaran langsung dan

    Universitas Sumatera Utara

  • sambaran tidak langsung. Sambaran langsung adalah sambaran petir dari awan

    yang langsung menyambar jaringan sehingga menyebabkan naiknya tegangan

    dengan cepat. Daerah yang terkena sambaran dapat terjadi pada tower dan juga

    kawat penghantar. Besarnya tegangan dan arus akibat sambaran ini tergantung

    pada besar arus kilat, waktu muka, dan jenis tiang saluran. Sambaran tidak

    langsung atau sambaran induksi adalah sambaran petir ke bumi atau sambaran

    petir dari awan ke awan di dekat saluran sehingga menyebabkan timbulnya

    muatan induksi pada jaringan.

    Pada saluran udara tegangan menengah (SUTM), gangguan akibat

    sambaran tidak langsung ini tidak boleh diabaikan. Gangguan akibat sambaran

    tidak langsung ini pada umumnya lebih banyak terjadi dibandingkan akibat

    sambaran langsung, dikarenakan luasnya daerah sambaran induksi. Spesifikasi

    gelombang petir ditunjukkan pada Gambar 2.5.

    Gambar 2.5 Spesifikasi Gelombang Petir

    Spesifikasi dari suatu gelombang petir :

    a) Puncak (crest) gelombang, E (kV), yaitu amplitudo maksimum dari

    Universitas Sumatera Utara

  • gelombang.

    b) Muka (front) gelombang, t1 (mikrodetik), yaitu waktu dari permulaan

    sampai puncak. Ini diambil dari 10% E sampai 90% E.

    c) Ekor (tril) gelombang, yaitu bagian belakang puncak.

    Panjang gelombang, t2 (mikrodetik), yaitu waktu dari permulaan sampai

    titik 50% E pada ekor gelombang.

    II.3.2 Gangguan Hubung Singkat

    Hubung singkat dapat terjadi melalui dua atau tiga saluran fasa sistem

    distribusi. Arus lebih yang dihasilkan hubung singkat tergantung pada besar

    kapasitas daya penyulang, besar tegangan, dan besar impedansi rangkaian yang

    mengalami gangguan. Hubung singkat menghasilkan panas yang cukup tinggi

    pada sisi primer trafo sebagai akibat dari naiknya rugi-rugi tembaga sebagai

    perbandingan dari kuadrat arus gangguan. Arus gangguan yang besar ini

    mengakibatkan tekanan mekanik (mechanical stress) yang tinggi pada trafo.

    Arus hubung singkat pada trafo dapat dihitung dengan menggunakan

    persamaan :

    VZ

    SIsc .3.%100.

    ........................................................................... (2.3)

    dimana :

    S = Daya trafo (kVA)

    %Z = Impedansi trafo dalam persen

    V = Tegangan fasa-fasa pada sisi tegangan rendah (kV)

    Universitas Sumatera Utara

  • Dari rumus

    13. Z

    VI NLf A .... (2.4)

    1. .2

    .3ZVjI NLLLf A ... (2.5)

    maka dapat diperoleh

    3.. 23

    fLLf II A ... (2.6)

    3.. 866.0 fLLf II A (2.7)

    dimana,

    3fI = Arus gangguan 3 fasa (A)

    LLfI . = Arus gangguan fasa ke fasa (A)

    NLV = Tegangan fasa ke netral (V)

    1Z = Impedansi total urutan positif ()

    Arus beban penuh dapat diketahui dengan menggunakan persamaan :

    V

    SIFL .3 ... (2.8)

    dimana,

    S = Daya trafo 3 fasa (VA)

    V = Tegangan fasa-fasa pada sisi tegangan rendah (V)

    II.3.3 Gangguan Kegagalan Minyak Transformator

    Kegagalan isolasi (insulation breakdown) minyak trafo disebabkan oleh

    beberapa hal antara lain minyak trafo tersebut sudah lama dipakai, berkurangnya

    Universitas Sumatera Utara

  • kekuatan dielektrik dankarena isolasi tersebut dikenakan tegangan lebih. Pada

    prinsipnya tegangan pada isolator merupakan suatu tarikan atau tekanan (stress)

    yang harus dilawan oleh gaya dalam isolator itu sendiri agar isolator tersebut tidak

    gagal. Dalam struktur molekul material isolator, elektron-elektron terikat erat pada

    molekulnya, dan ikatan ini mengadakan perlawanan terhadap tekanan yang

    disebabkan oleh adanya tegangan. Bila ikatan ini putus pada suatu tempat maka

    sifat isolasi pada tempat itu akan hilang. Bila pada bahan isolasi tersebut diberikan

    tegangan akan terjadi perpindahan elektron-elektron dari suatu molekul ke

    molekul lainnya sehingga timbul arus konduksi atau arus bocor. Karakteristik

    isolator akan berubah bila material kemasukan suatu ketidakmurnian (impurity)

    seperti adanya arang atau kelembaban dalam isolasi yang dapat menurunkan

    tegangan tembus.

    Oksigen yang terdapat di udara yang berhubungan dengan minyak yang

    panas dapat mengakibatkan terjadinya oksidasi dan terbentuknya bahan asam dan

    endapan. Kadar asam yang terdapat pada minyak trafo merupakan suatu ukuran

    taraf deteriorasi dan kecenderungan untuk membentuk endapan. Endapan ini

    sangat mengganggu karena melekat pada semua permukaan trafo dan mempersulit

    proses pendinginan. Endapan ini juga akan meningkatkan kemungkinan terjadinya

    bunga api antara bagian-bagian trafo yang terbuka. Suatu endapan setelah

    mencapai tebal 0,2 mm sampai 0,4 mm pada inti dan kumparan akan dapat

    meningkatkan suhu sampai 10C sampai 15C.

    Bila dalam minyak terdapat kelembaban, maka kelembaban tersebut dapat

    membentuk jalur-jalur yang membuka jalan terhadap terjadinya hubung singkat.

    Kelembaban tidak saja menurunkan daya isolasi minyak, melainkan kelembaban

    Universitas Sumatera Utara

  • itu dapat pula diserap oleh bahan isolasi lainnya, sehingga seluruh trafo menjadi

    terancam.

    II.4 Proteksi Pada Gardu Trafo Distribusi

    II.4.1 Fuse

    Fuse adalah peralatan proteksi arus lebih yang bekerja dengan

    menggunakan prinsip melebur. Terdapat dua tipe fuse berdasarkan kecepatan

    melebur elemen fusenya (fuse link), yaitu tipe K (cepat) dan tipe T (lambat).

    Fuse yang didesain untuk digunakan pada tegangan diatas 600V

    dikategorikan sebagai fuse cutout. Fuse cutoutjenis ekspulsi (expulsion type)

    adalah jenis yang paling sering digunakan pada sistem distribusi saluran udara.

    Fuse jenis inimenggunakan elemen fuse yang relatif pendek yang dipasang di

    dalam fuse catridge.

    Pada umumnya fuse cutout dipasang antara trafo distribusi dengan saluran

    distribusi primer. Pada saat terjadi gangguan, elemen fuse akan melebur dan

    memutuskan rangkaian sehingga akan melindungi trafo distribusi dari kerusakan

    akibat gangguan dan arus lebih pada saluran primer, atau sebaliknya memutuskan

    saluran primer dari trafo distribusi apabila terjadi gangguan pada trafo atau

    jaringan sisi sekunder sehingga akan mencegah terjadinya pemadaman pada

    seluruh jaringan primer.

    II.4.2 Lightning Arrester

    Penggunaan lightning arrester pada sistem distribusi adalah untuk

    melindungi peralatan dari gangguan akibat sambaran petir. Arrester juga

    Universitas Sumatera Utara

  • dipergunakan untuk melindungi saluran distribusi dari flashover. Arrester

    dipasang pada peralatan yang dihubungkan dari fasa konduktor ke tanah.

    Agar perlindungan saluran menjadi lebih efektif, arrester harus dipasang pada

    setiap fasa pada tiap tiang. Pada saat sistem bekerja keadaan normal, arrester

    memiliki sifat sebagai isolator. Apabila terjadi sambaran petir, arrester akan

    berubah menjadi konduktor dan membuat jalan pintas (bypass) ke tanah yang

    mudah dilalui oleh arus petir, sehingga tidak menimbulkan tegangan lebih yang

    tinggi pada trafo. Jalur ke tanah tersebut harus sedemikian rupa sehingga tidak

    akan mengganggu aliran daya normal. Setelah petir hilang, arrester harus menutup

    dengan cepat kembali menjadi isolator, sehingga tidak mengakibatkan pemutus

    daya terbuka. Pada kondisi operasi normal, arus bocor pada arrester tidak boleh

    melebihi 2 mA. Apabila arus bocor melebihi angka tersebut, kemungkinan besar

    arrester mengalami kerusakan.

    Pada saluran distribusi, arrester yang biasanya digunakan adalah arrester

    jenis katub (valve type). Arrester jenis katub terdiri dari sela percik dan sela seri

    yang terhubung dengan elemen tahanan yang mempunyai karakteristik tidak

    linier. Tegangan frekuensi dasar tidak dapat menimbulkan tembus pada sela seri.

    Apabila sela seri tembus pada saat tibanya suatu surja yang cukup tinggi,

    sela tersebut berfungsi menjadi penghantar. Sela seri tidak bisa memutuskan arus

    susulan. Dalam hal ini sela seri dibantu oleh tahanan non linier yang mempunyai

    karakteristik tahanan kecil untuk arus besar dan tahanan besar untuk arus susulan

    dari frekuensi dasar. Lightning arrester jenis katub ditunjukkan pada Gambar 2.6.

    Universitas Sumatera Utara

  • Gambar 2.6Lightning Arrester Jenis Katub

    II.5 Pembumian ( Grounding )

    Pembumian adalah penghubungan suatu bagian dari rangkaian listrik atau

    bagian yang bersifat konduktor tetapi bukan bagian dari rangkaian listrik yang

    pada keadaan normal tidak bertegangan ke bumi.

    Tujuan dari pembumian adalah :

    Mengurangi tegangan kejut listrik pada peralatan.

    Memberi jalan bagi arus gangguan, baik akibat terjadinya arus hubung

    singkat ke tanah maupun akibat terjadinya sambaran petir.

    Untuk membatasi tegangan pada fasa yang tidak mengalami gangguan.

    Sesuai dengan SNI 04-0225-2000 Pasal 3.13.2.10 dan Pasal 3.19.1.4, nilai

    tahanan pembumian seluruh sistem tidak boleh lebih besar dari 5 dan jarak

    antar elektroda pembumian minimal 2 kali panjang elektroda. Resistivitas tanah

    dapat dihitung dengan menggunakan rumus:

    Ra..2 ....................................................................................... (2.9)

    dimana,

    = Resistivitas tanah (m)

    Universitas Sumatera Utara

  • a = Jarak antara elektroda (m)

    R = Tahanan ()

    II.6 Tiang

    Pada umumnya tiang listrik yang sekarang pada Saluran Udara Tegangan

    Menengah ( SUTM ) 20 kV terbuat dari beton bertulang dan tiang besi.

    Pemakaian tiang kayu sudah jarang digunakan karena daya tahannya ( umurnya )

    relatif pendek dan memerlukan pemeliharaan khusus.

    Dilihat dari fungsinya, tiang listrik dibedakan menjadi dua yaitu tiang

    pemikul dan tiang tarik. Tiang pemikul berfungsi untuk memikul konduktor dan

    isolator,sedangkan tiang tarik berfungsi untuk menarik konduktor.

    Pada SUTM 20 kV, jarak antar tiang ditetapkan sebesar 40 meter, tetapi

    jarak tersebut perlu disesuaikan dengan kondisi wilayah sehingga diberi standar

    yang jelas sejauh 30 - 50 meter. Untuk pemasangan tiang, sudah ada standar untuk

    kedalaman tiang yang harus ditanam dibawah permukaan tanah yaitu 1/6 dari

    panjang tiang.

    Universitas Sumatera Utara