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-bagian terpenting dan mendasar dari sebuah trafo adalah :

· Kumparan primer (primary winding) yg dihubungkan dengan sumber listrik.

· Kumparan sekunder (secondary winding) yg dihubungkan dengan beban.

· Inti / teras / kernel (core) yang berfungsi menyalurkan GGL induksi antar kedua kumparan.

Perhatikan sketsa berikut :

1. PRINSIP TEKNIS KERJA TRAFO :

Prinsip kerja dari sebuah transformator adalah sebagai berikut. Ketika Kumparan primer dihubungkan dengan sumber

tegangan bolak-balik, perubahan arus listrik pada kumparan primer menimbulkan medan magnet yang berubah. Medan

magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi dan dihantarkan inti besi ke kumparan sekunder, sehingga pada ujung-

ujung kumparan sekunder akan timbul ggl induksi. Efek ini dinamakan induktansi timbal-balik (mutual inductance).ketika

arus listrik dari sumber tegangan yang mengalir pada kumparan primer berbalik arah (berubah polaritasnya) medan magnet

yang dihasilkan akan berubah arah sehingga arus listrik yang dihasilkan pada kumparan sekunder akan berubah polaritasnya.

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 :

Jenis transformator berdasarkan fungsinya- Trafo step-up- Trafo step-down

Jenis transformator berdasarkan perbandingan antara jumlah lilitan primer dan jumlah lilitan skunder- Trafo step-up- Trafo

step-down

Jenis transformator catu daya- Trafo engkel- Trafo CT

Jenis tranformator berdasarkan inti- Trafo tipe shell- Trafo tipe inti

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. Bahan bushing adalah

terbuat dari porselin yang tengahnya berlubang.

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.

SIRIP-SIRIP PENDINGIN ATAU RADIATOR

Berfungsi untuk memperluas daerah pendinginan, yaitu daerah yang berhubungan langsung dengan udara luar dan sebagai

tempat terjadinya sirkulasi panas.

6. INDIKATOR TRAFO :

1. Indikator suhu minyak

2. Indikator permukaan minyak

3. Indikator sistem pendingin

4. Indikator kedudukan tap

a . Thermometer / Temperature Gauge, alat ini berfungsi untuk mengukur tingkat panas dari trafo, baik panasnya kumparan

primer dan sekunder juga minyak trafonya. Thermometer ini bekerja atas dasar air raksa (mercuri/Hg) yang tersambung

dengan tabung pemuaian dan tersambung dengan jarum indikator derajat panas. Beberapa thermometer dikombinasikan

dengan panas dari resistor (khusus yang tersambung dengan transformator arus, yang terpasang pada salah satu fasa fasa

tengah) dengan demikian penunjukan yang diperoleh adalah relatif terhadap panas sebenarnya yang terjadi.

b. Permukaan minyak / Level Gauge, alat ini berfungsi untuk penunjukan tinggi permukaan minyak yang ada pada

konservator. Ada beberapa jenis penunjukan, seperti penunjukan lansung yaitu dengan cara memasang gelas penduga pada

salah satu sisi konservator sehingga akan mudah mengetahui level minyak. Sedangkan jenis lain jika konservator dirancang

sedemikian rupa dengan melengkapi semacam balon dari bahan elastis dan diisi dengan udara biasa dan dilengkapi dengan

alat pelindung seperti pada sistem pernapasan sehingga pemuaian dan penyusutan minyak-udara yang masuk kedalam balon

dalam kondisi kering dan aman.

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.

PLAT NAMA

Plat nama yang terdapat pada bagian luar transformator sebagai pedoman saat pemasangan maupun perbaikan. Data-data

yang dicantumkan seperti :Phasa dan frekuensi, daya nominal, tegangan primer/ sekunder,kelompokhubungan, arus nominal,

% arus hubung singkat, sistem pendinginan, volume minyak, dan lain-lain.

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.

core form

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.

shell form

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

trafo ideal

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:

Persamaan trafo ideal

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:

Hysteresis losses

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:

sisi primer

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

sisi sekunder

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:

persamaan ekivalen

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.

Ideal Transformator

Kemudian rangkaian ekivalen diatas dapat disederhanakan dengan melihat pada sisi primer atau pada sisi sekunder. Seperti

terlihat pada gambar dibawah ini:

Rangkaian Ekivalen Transformator

Jenis-jenis transformator

Step-Up

Transformator step-up adalah transformator yang memiliki lilitan sekunder lebih banyak daripada lilitan primer, sehingga

berfungsi sebagai penaik tegangan. Transformator ini biasa ditemui pada pembangkit tenaga listrik sebagai penaik tegangan

yang dihasilkan generator menjadi tegangan tinggi yang digunakan dalam transmisi jarak jauh.

skema transformator step-down

Transformator step-down memiliki lilitan sekunder lebih sedikit daripada lilitan primer, sehingga berfungsi sebagai penurun

tegangan. Transformator jenis ini sangat mudah ditemui, terutama dalam adaptor AC-DC.

Autotransformator

skema autotransformator

Transformator jenis ini hanya terdiri dari satu lilitan yang berlanjut secara listrik, dengan sadapan tengah. Dalam

transformator ini, sebagian lilitan primer juga merupakan lilitan sekunder. Fasa arus dalam lilitan sekunder selalu

berlawanan dengan arus primer, sehingga untuk tarif daya yang sama lilitan sekunder bisa dibuat dengan kawat yang lebih

tipis dibandingkan transformator biasa. Keuntungan dari autotransformator adalah ukuran fisiknya yang kecil dan kerugian

yang lebih rendah daripada jenis dua lilitan. Tetapi transformator jenis ini tidak dapat memberikan isolasi secara listrik

antara lilitan primer dengan lilitan sekunder.

Selain itu, autotransformator tidak dapat digunakan sebagai penaik tegangan lebih dari beberapa kali lipat (biasanya tidak

lebih dari 1,5 kali).

Autotransformator variabel

skema autotransformator variabel

Autotransformator variabel sebenarnya adalah autotransformator biasa yang sadapan tengahnya bisa diubah-ubah,

memberikan perbandingan lilitan primer-sekunder yang berubah-ubah.

Transformator isolasi[sunting | sunting sumber]

Transformator isolasi memiliki lilitan sekunder yang berjumlah sama dengan lilitan primer, sehingga tegangan sekunder

sama dengan tegangan primer. Tetapi pada beberapa desain, gulungan sekunder dibuat sedikit lebih banyak untuk

mengkompensasi kerugian. Transformator seperti ini berfungsi sebagai isolasi antara dua kalang. Untuk penerapan audio,

transformator jenis ini telah banyak digantikan oleh kopling kapasitor.

Transformator pulsa[sunting | sunting sumber]

Transformator pulsa adalah transformator yang didesain khusus untuk memberikan keluaran gelombang pulsa.

Transformator jenis ini menggunakan material inti yang cepat jenuh sehingga setelah arus primer mencapai titik tertentu,

fluks magnet berhenti berubah. Karena GGL induksi pada lilitan sekunder hanya terbentuk jika terjadi perubahan fluks

magnet, transformator hanya memberikan keluaran saat inti tidak jenuh, yaitu saat arus pada lilitan primer berbalik arah.

Transformator tiga fase[sunting | sunting sumber]

Transformator tiga fase sebenarnya adalah tiga transformator yang dihubungkan secara khusus satu sama lain. Lilitan primer

biasanya dihubungkan secara bintang (Y) dan lilitan sekunder dihubungkan secara delta (\Delta).