hitam putih kehidupanku: STUDI PENGARUH PENEMPATAN ARRESTER TERHADAP EFEKTIVITAS PROTEKSI TRANSFORMATOR DISTRIBUSI 20 kV PADA GARDU TRANSFORMATOR TIANG

STUDI PENGARUH PENEMPATAN ARRESTER TERHADAP EFEKTIVITAS PROTEKSI TRANSFORMATOR DISTRIBUSI 20 kV PADA GARDU TRANSFORMATOR TIANG

LATAR BELAKANG MASALAH

A. Pengertian Transformator

Transformator/ Transformer / Trafo adalah suatu peralatan listrik yang termasuk dalam klasifikasi mesin listrik statis dan berfungsi untuk menyalurkan tenaga/daya listrik dari tegangan tinggi ke tegangan rendah atau sebaliknya, dengan frekuensi sama. Dalam pengoperasiannya, transformator-transformator tenaga pada umumnya ditanahkan pada titik netral, sesuai dengan kebutuhan untuk sistem pengamanan atau proteksi. Sebagai contoh transformator 150/70 kV ditanahkan secara langsung di sisi netral 150 kV, dan transformator 70/20 kV ditanahkan dengan tahanan di sisi netral 20 kV nya. Transformator yang telah diproduksi terlebih dahulu melalui pengujian sesuai standar yang telah ditetapkan.
Dasar dari teori transformator adalah sebagai berikut :
“Apabila ada arus listrik bolak-balik yang mengalir mengelilingi suatu inti besi maka inti besi itu akan berubah menjadi magnit dan apabila magnit tersebut dikelilingi oleh suatu belitan maka pada kedua ujung belitan tersebut akan terjadi beda tegangan mengelilingi magnit, sehingga akan timbul gaya gerak listrik (GGL)”.

Suatu transformator terdiri atas beberapa bagian, yaitu:
• Bagian utama transformator
• Peralatan Bantu
• Peralatan Proteksi
1. Bagian utama transformator, terdiri dari:
a) Inti besi
Inti besi berfungsi untuk mempermudah jalan fluks, 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 arus pusar atau arus eddy (eddy current).
b) Kumparan transformator
Beberapa lilitan kawat berisolasi membentuk suatu kumparan, dan kumparan tersebut diisolasi, baik terhadap inti besi maupun terhadap kumparan lain dengan menggunakan isolasi padat seperti karton, pertinax dan lain-lain. Pada transformator terdapat kumparan primer dan kumparan sekunder. Jika kumparan primer dihubungkan dengan tegangan/arus bolak-balik maka pada kumparan tersebut timbul fluks yang menimbulkan induksi tegangan, bila pada rangkaian sekunder ditutup (rangkaian beban) maka mengalir arus pada kumparan tersebut, sehingga kumparan ini berfungsi sebagai alat transformasi tegangan dan arus.
c) Kumparan tertier
Fungsi kumparan tertier diperlukan adalah untuk memperoleh tegangan tertier atau untuk kebutuhan lain. Untuk kedua keperluan tersebut, kumparan tertier selalu dihubungkan delta atau segitiga. Kumparan tertier sering digunakan juga untuk penyambungan peralatan bantu seperti kondensator synchrone, kapasitor shunt dan reactor shunt, namun demikian tidak semua transformator daya mempunyai kumparan tertier.
d) Minyak transformator
Sebagian besar dari transformator tenaga memiliki kumparan-kumparan yang intinya direndam dalam minyak transformator, terutama pada transformator transformator tenaga yang berkapasitas besar, karena minyak transformator mempunyai sifat sebagai media pemindah panas (disirkulasi) dan juga berfungsi pula sebagai isolasi (memiliki daya tegangan tembus tinggi) sehingga berfungsi sebagai media pendingin dan isolasi.
Minyak transformator harus memenuhi persyaratan, yaitu:
• kekuatan isolasi tinggi
• penyalur panas yang baik, berat jenis yang kecil, sehingga partikel-partikel dalam minyak dapat mengendap dengan cepat
• viskositas yang rendah, agar lebih mudah bersirkulasi dan memiliki kemampuan pendinginan menjadi lebih baik
• titik nyala yang tinggi dan tidak mudah menguap yang dapat menimbulkan baha
• tidak merusak bahan isolasi padat
• sifat kimia yang stabil
Minyak transformator baru harus memiliki spesifikasi seperti tampak pada Tabel 1 di bawah ini.

Tabel 1. Spesifikasi Minyak Isolasi Baru.

Untuk minyak isolasi pakai berlaku untuk transformator berkapasitas > 1 MVA atau bertegangan > 30 kV sifatnya seperti ditunjukkan pada Tabel 2.

Tabel 2. Spesifikasi Minyak Isolasi Pakai.

e) Bushing
Hubungan antara kumparan transformator ke jaringan luar melalui sebuah bushing, yaitu sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator, yang sekaligus berfungsi sebagai penyekat antara konduktor tersebut dengan tangki transformator.
f) Tangki dan konservator
Pada umumnya bagian-bagian dari transformator yang terendam minyak transformator berada atau (ditempatkan) di dalam tangki. Untuk menampung pemuaian pada minyak transformator, pada tangki dilengkapi dengan sebuah konservator.
Terdapat beberapa jenis tangki, diantaranya adalah:
• Jenis sirip (tank corrugated) Badan tangki terbuat dari pelat baja bercanai dingin yang menjalani penekukan, pemotongan dan proses pengelasan otomatis, untuk membentuk badan tangki bersirip dengan siripnya berfungsi sebagai radiator pendingin dan alat bernapas pada saat yang sama. Tutup dan dasar tangki terbuat dari plat baja bercanai panas yang kemudian dilas sambung kepada badan tangki bersirip membentuk tangki corrugated ini. Umumnya transformator di bawah 4000 kVA dibuat dengan bentuk tangki corrugated.
• Jenis tangki Conventional Beradiator, Jenis tangki terdiri dar badan tangki dan tutup yang terbuat dari mild steel plate (plat baja bercanai panas) ditekuk dan dilas untuk dibangun sesuai dimensi yang diinginkan, sedang radiator jenis panel terbuat dari pelat baja bercanai dingin (cold rolled steel sheets). Transformator ini umumnya dilengkapi dengan konservator dan digunakan untuk 25.000,00 kVA, yang ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Transformator Tipe Conventional Beradiator (Sumber Trafindo, 2005)
• Hermatically Sealed Tank With N2 Cushined, Tipe tangki ini sama dengan jenis conventional tetapi di atas permukaan minyak terdapat gas nitrogen untuk mencegah kontak antara minyak dengan udara luar
2. Peralatan Bantu
a) Pendingin
Pada inti besi dan kumparan-kumparan akan timbul panas akibat rugi-rugi besi dan rugi-rugi tembaga. Bila panas tersebut mengakibatkan kenaikan suhu yang berlebihan, akan merusak isolasi transformator, maka untuk mengurangi adanya kenaikan suhu yang berlebihan tersebut pada transformator perlu juga dilengkapi dengan sistem pendingin yang bergungsi untuk menyalurkan panas keluar transformator. Media yang digunakan pada sistem pendingin dapat berupa
udara, gas, minyak dan air.
Sistem pengalirannya (sirkulasi) dapat dengan cara:
• Alamiah (natural)
• Tekanan/paksaan (forced).

Tabel 3. Tipe Pendinginan Transformator
keterangan: A = air (udara), O = Oil (minyak), N = Natural (alamiah), F = Forced (Paksaan / tekanan)
b) Tap Changer (perubah tap)
Tap Changer adalah perubah perbandingan transformator untuk mendapatkan tegangan operasi sekunder sesuai yang diinginkan dari tegangan jaringan/primer yang berubah-ubah. Tap changer dapat dilakukan baik dalam keadaan berbeban (on-load) atau dalam keadaan tak berbeban (off load), dan tergantung jenisnya.
c) Alat pernapasan
Karena adanya pengaruh naik turunnya beban transformator maupun suhu udara luar, maka suhu minyak 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, minyak menyusut maka udara luar akan masuk ke dalam tangki. Kedua proses di atas disebut pernapasan transformator. Permukaan minyak transformator akan selalu bersinggungan dengan udara luar yang menurunkan nilai tegangan tembus pada minyak transformator, maka untuk mencegah hal tersebut, pada ujung pipa penghubung udara luar dilengkapi tabung berisi kristal zat hygroscopis.
d) Indikator
Untuk mengawasi selama transformator beroperasi, maka perlu adanya indicator yang dipasang pada transformator. Indikator tersebut adalah sebagai berikut:
• indikator suhu minyak
• indikator permukaan minyak
• indikator sistem pendingin
• indikator kedudukan tap, dan sebagainya.
3. Peralatan Proteksi
a) Relay Bucholz
Relay Bucholz adalah relai yang berfungsi mendeteksi dan mengamankan terhadap gangguan transformator yang menimbulkan gas.
Timbulnya gas dapat diakibatkan oleh beberapa hal, diantaranya adalah:
• Hubung singkat antar lilitan pada atau dalam phasa
• Hubung singkat antar phasa
• Hubung singkat antar phasa ke tanah
• Busur api listrik antar laminasi
• Busur api listrik karena kontak yang kurang baik.
b) Relai Tekanan Lebih
Relai ini berfungsi hampir sama seperti Relay Bucholz. Fungsinya adalah mengamankan terhadap gangguan di dalam transformator. Bedanya relai ini hanya bekerja oleh kenaikan tekanan gas yang tiba-tiba dan langsung mentripkan pemutus tenaga (PMT). Alat pengaman tekanan lebih ini berupa membran yang terbuat dari kaca, plastik, tembaga atau katup berpegas, sebagai pengaman tangki transformator terhadap kenaikan tekan gas yang timbul di dalam tangki yang akan pecah pada tekanan tertentu dan kekuatannya lebih rendah dari kekuatan tangki transformator
c) Relai Diferensial
Berfungsi mengamankan transformator terhadap gangguan di dalam transformator, antara lain adalah kejadian flash over antara kumparan dengan kumparan atau kumparan dengan tangki atau belitan dengan belitan di dalam kumparan ataupun beda kumparan.
d) Relai Arus lebih
Berfungsi mengamankan transformator jika arus yang mengalir melebihi dari nilai yang diperkenankan lewat pada transformator tersebut dan arus lebih ini dapat terjadi oleh karena beban lebih atau gangguan hubung singkat. Arus lebih ini dideteksi oleh transformator arus atau current transformator (CT).
e) Relai Tangki Tanah
Alat ini berfungsi untuk mengamankan transformator bila ada hubung singkat antara bagian yang bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan pada transformator.
f) Relai Hubung Tanah
Fungsi alat ini adalah untuk mengamankan transformator jika terjadi gangguan hubung singkat satu phasa ke tanah.
g) Relai Thermis
Alat ini berfungsi untuk mencegah/mengamankan transformator dari kerusakan isolasi pada kumparan, akibat adanya panas lebih yang ditimbulkan oleh arus lebih. Besaran yang diukur di dalam relai ini adalah kenaikan suhu.

B. Teori Dasar Sistem distribusi tenaga listrik

Sistem tenaga listrik terdiri atas tiga bagianutama yaitu, sistem pembangkitan, sistem transmisidan sistem distribusi. Dari ketiga sistem tersebutsistem distribusi merupakan bagian yang letaknya paling dekat dengan konsumen, fungsinya adalah menyalurkan energi listrik dari suatu Gardu Induk distribusi ke konsumen.

Adapun bagian-bagian dari sistem distribusi tenaga listrik adalah:

1. Gardu Induk Distribusi

2. Jaringan Primer (JTM)

3. Transformator Distribusi

4. Jaringan Sekunder (JTR)

PEMBAHASAN

Dalam operasi sistem tenaga listrik terjadinya gangguan tidak dapat dihindarkan. Gangguan terjadi dapat dikarenakan karenakan adanya kejadian secara acak dalam sistem yang dapat berupa berkurangnya kemampuan peralatan, meningkatnya beban dan lepasnya peralatan-peralatan yang tersambung ke sistem.

Gangguan yang sering terjadi pada saluran distribusi adalah gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah yang sifatnya temporer, sehingga untuk mengatasinya digunakan Ground Fault Relay (GFR) sebagai pendeteksi gangguan yang dikoordinasikan dengan Recloser . Sehubungan dengan banyaknya kawat netral yang terputus dikhawatirkan akan berakibat pada mengecilnya arus gangguan sampai dibawah nilai arus setting GFR sehingga, peralatan proteksi tidak akan bekerja saat terjadi gangguan dan ini sangat berbahaya bagi keselamatan manusia dan lingkungan.

Sehubungan dengan permasalahan dan kendala itulah, dikukan analisis mengenai dampak putusnya kawat netral terhadap Jaringan Tegangan Menengah 20 kV, dengan tujuan ingin mengetahui sejauh mana penurunan arus gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah dan dampaknya terhadap tegangan pelayanan yang diakibatkan oleh putusnya kawat netral dan selanjutnya memberikan alternatif upaya tindakan yang mungkin bisa dilakukan guna mengatasi permasalahan yang sedang di hadapi.

Diterapkannya empat sistem penempatan arrester pada gardu trafo tiang (GTT) yang mempunyai tujuan dan fungsi yang sama tetapi memiliki cara pengawatan yang berbeda, menimbulkan ketidakpastian tentang efektivitasnya dalam melindungi trafo dari tegangan lebih yang disebabkan surja petir. Suatu sistem penempatan arrester yang efektif diharapkan untuk diterapkan pada GTT. Dengan demikian perlu dilakukan analisis lebih lanjut mengenai sistem penempatan arrester tersebut.

Analisis terhadap empat sistem penempatan arrester bertujuan untuk mendapatkan suatu sistem penempatan arrester yang efektif sebagai proteksi trafo distribusi pada GTT. Metode pantulan berulang gelombang surja yang biasa diwujudkan dalam bentuk diagram tangga sebagai analisisnya sangat sesuai untuk mengamati jejak dari pemantulan gelombang surja pada saluran dari system penempatan arrester, dengan metode ini selanjutnya akan didapatkan nilai tegangan surja petir tertinggi yang terjadi pada arrester dan trafo serta arus surja petir tertinggi yang mengalir pada kawat lebur dari pelebur/CO pada masing-masing sistem penempatan arrester.

Hasil analisis menunjukkan bahwa: sistem-1 dan 3 memiliki nilai tegangan surja yang sama dan lebih rendah dari sistem-2 dan 4, yaitu sebesar 99,98 % pada arrester dan 95,3 % pada trafo sedangkan sistem-2 sebesar 182,07 % dan sistem-4 sebesar 116,94 % baik pada arrester mupun pada trafo. Tegangan surja yang tinggi pada arrester dapat memperpendek umur kerja dari arrester tersebut, karena pada kondisi ini arrester akan bekerja lebih berat untuk melindungi trafo dari tegangan surja tersebut. Arus surja yang terjadi pada kawat lebur untuk sistem-1 bernilai paling kecil dibandingkan sistem yang lain, yaitu sebesar 0,0189 % sedangkan sistem-2 sebesar 0,2236 %, sistem-3 sebesar 0,4058 %, dan sistem-4 sebesar 0,0233 %. Arus surja ini menimbulkan energi petir yang tidak sampai memutuskan kawat lebur dari CO pada sistem-1 dan 4 tetapi memutuskan kawat lebur dari CO pada sistem-2 dan 3.

KESIMPULAN

Akhirnya dari hasil analisis tersebut didapatkanlah sistem-1 sebagai sistem penempatan arrester yang efektif pada GTT sebagai proteksi trafo dari tegangan lebih yang disebabkan surja petir.