PENGENALAN TRANSFORMATOR

BAB I TRANSFORMATOR

1.         Fungsi dan Prinsip Kerja Transformator

1.1.    Fungsi Transformator

Transformator daya pada suatu peralatan tenaga listrik berfungsi untuk menyalurkan tenaga/daya listrik dari tegangan tinggi ke tegangan rendah atau sebaliknya. Dalam penyaluran tenaga listrik transformator daya diibaratkan jantung pada pusat tenaga listrik. Dalam kondisinya maka transformator diharapkan selalu pada kondisi terbaiknya sehingga penyaluran tenaga Berdasarkan tegangan operasinya. Transformator daya pada pusat tenaga listrik dibedakan menjadi transformator utama yang beroperasi dari tegangan generator ke tegangan transmisi dan transformator auxelary yang beroperasi dari tegangan generator ke tegangan untuk keperluan pemakaian sendiri.

Transformator merupakan peralatan statis untuk memindahkan energi listrik dari suatu rangkaian listrik ke rangkaian lainnya dengan mengubah tegangan tanpa merubah frekuensi. Tranformator disebut peralatan statis karena tidak ada bagian yang bergerak atau berputar, tidak seperti motor atau generator. Pengubahan tegangan dlakukan dengan memanfaatkan prinsip induktansi elektromagnetik pada lilitan. Fenomena induktansi elektromagnetik yang terjadi dalam satu waktu pada transformator adalah induktansi sendiri pada masing-masing lilitan diikuti oleh induktansi bersama yang terjadi antar lilitan.

1.2.    Prinsip Induksi

Transformator daya umumnya terdiri dari sepasang belitan, primer dan sekunder, terhubung dengan sirkuit magnetik atau core. Ketika sebuah tegangan diaplikasikan ke salah satu belitan, umumnya belitan primer, sebuah arus akan mengalir yang mana merupakan m.m.f. yang karenanya menimbulkan alternating flux pada core. Sebuah flux yang timbul menghubungkan induktansi belitan dan e.m.f. pada tiap-tiap belitan. Pada belitan primer disebut e.m.f balik, dan jika transformator sempurna, itu dapat melawan tegangan primer yang diaplikasikan sejauh tidak ada arus yang akan mengalir. Pada kenyataanya arus akan mengalir ketika transformator mendapatkan arus megnetisasi. Pada belitan sekunder induksi e.m.f. merupakan tegangan open-sirkuit sekunder. Jika sebuah beban dihubungkan dengan pada belitan sekunder yang mana diijinkan mengalir arus sekunder, maka arus membuat sebuah magnetisasi m.m.f sehingga merusak keseimbangan antara penerapan tegangan sisi primer dan back e.m.f. Untuk mengembalikan keseimbangan dengan menaikkan arus pada sisi primer yang mana harus ditarik dari suplai untuk mendapatkan m.m.f yang sama atau equivalen. Jadi keseimbangan tiap-tiapnya didapat ketika penambahan arus pada sisi primer mambuat keseimbangan ampere-turn dengan sisi sekunder. Ketika tidak ada perbedaan antara tegangan yang diinduksi pada single-turn apakah itu bagian dari sisi primer atau sisi sekunder belitan, maka tegangan induksi total pada tiap tiap belitan oleh flux utama harus proposional dari jumlah turn. Jadi harus diketahui hubungan yang membentuk itu:

                                                                                                   𝐸1      𝑁1

                                                                                                          =      

                                                                                                   𝐸2      𝑁2

Dan, dari sisi kebutuhan keseimbangan ampere-turns:

𝐼1𝑁1 = 𝐼2𝑁2

Dimana E, I dan N merupakan tegangan yang diinduksi, arus dan jumlah turn masing-masing pada belitan diidentifikasi oleh subscripts yang tepat. Karenanya, tegangan dibentuk pada proporsi dari putaran masing-masing belitan dan arus pada proporsi terbalik (dan hubungannya berlaku untuk keduanya baik instantaneous dan kuantitas r.m.s).

Hubungan antara tegangan yang diinduksi dan flux digambarkan dalam hukum faraday. Menurut hukum ini suatu gaya listrik melalui garis lengkung yang tertutup, adalah berbanding lurus dengan perubahan persatuan waktu dari pada arus induksi atau flux yang dilingkari oleh garis lengkung itu Selain hukum Faraday, transformator menggunakan hukum Lorenz seperti terlihat pada gambar 2.1. berikut ini:

Gambar 1. Hukum Lorenz

Umumnya digambarkan dalam bentuk

𝑑𝜙

                                                                                                𝑒 = −𝑁(      )

𝑑𝑡

Tetapi pada transformator, dapat ditunjukkan bahwa tegangan yang diinduksi per belitan

𝐸

𝑁 = 𝐾𝜙_𝑚𝑓

Dimana K adalah constan, 𝜙_𝑚 merupakan nilai maksimum dari total flux dalam weber yang terhubung dengan turn dan f merupakan suplai frekuensi dalam hertz. Jika tegangan berbentuk sinusoidal yang mana diasumsikan K bernilai 4.44 dan persamaannya menjadi

𝐸 = 4.44𝑓𝜙𝑁

Dari perhitungan diatas desainer lebih tertarik pada tegangan per turn dan kepadatan flux pada core dari pada total flux, maka persamaan diatas dapat ditulis ulang menjadi: 

                                                                                        𝐸                                 ⁻⁶

 = 4.44𝐵_𝑚𝐴𝑓𝑥10

𝑁 Dimana:

E/N = Tegangan per turn, yang mana sama pada kedua belitan

Bm = Nilai maksimum dari kepadatan flux pada core, tesla

A = Luas penampang pada core, mm²

F = Suplai frekuensi, Hz

Dasar dari teori transformator adalah sebagai berikut: 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.

Gambar 2. Arus listrik mengelilingi inti besi dan timbul GGL pada belitan

Dari prinsip tersebut di atas dibuat suatu transformator seperti gambar 2.3. di bawah ini. 

Gambar 3. Prinsip dasar dari transformator

2.         Desain Transformator

2.1.    Tipe transformator

Ada dua basik tipe transformator yang dikategorikan dengan konfigurasi winding/core: (a) tipe shell (b) tipe core. Perbedaannya dapat dengan mudah diperlihatkan pada gambar berikut.

(a) tipe shell                        (b) tipe core

Gambar 4. Tipe transformator

Transformator tipe shell jalur flux pada core pada sisi luar dan didalamnya berupa belitan. Pada gambar 4.a menunjukkan transformator tipe shell tiga phase. Transformator tipe ini pada umumnya digunakan oleh amerika utara. Untuk desain tipe core dominan digunakan di UK dan hampir seluruh dunia. Karena karakteristik magnetisasi yang lebih banyak pelindung yang dihasilkan oleh tipe shell pengaturan ini sangat cocok untuk mensuplai daya dengan tegangan rendah dan arus yang besar, sebagai contoh pada transformator untuk arc furnance. 

Transformer tipe core mempunyai lubang yang dikelilingi oleh belitan yang ditunjukkan pada gambar 4.b yang direpresentasikan dengan tiga phase dengan tiga lubang yang berjajar. Dengan konfigurasi, bagian atas dan bawah pasa sambungan sama dengan cross-section ke lubang yang dibelit winding, tidak ada bagian untuk pemisah flux yang dibutuhkan, ketika sisi tiga phase sudah seimbang fluxnya, maka akan dijumlahkan menjadi nol pada waktu yang sama. Pada kasus transformator besar akan menjadi subjek untuk membatasi berat, biasanya disebabkan karena keterbataasan transportasi, itu akan menjadi penting untuk mengurangi kedalaman dari sisi atas dan bawah core.

2.2.    Bagian-bagian transformator

Transformator terdiri dari beberapa bagian meliputi bagian utama, peralatan bantu, peralatan proteksi dan peralatan tambahan untuk pengamanan transformator.

2.2.1     Bagian utama

Bagian utama transformator terdiri dari inti besi, kumparan transformator, minyak transformator, bushing dan tanki konservator.  a. Inti Besi

Inti besi berfungsi untuk mempermudah jalan fluksi, 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.

Gambar 5. Inti Besi dan laminasi yang diikat fiber glass

b.       Kumparan transformator

Kumparan transformator merupakan lilitan kawat berisolasi yang membentuk suatu kumparan. Kumparan tersebut terdiri dari kumparan primer dan kumparan sekunder yang diisolasi baik terhadap inti besi maupun terhadap antar kumparan dengan isolasi pada seperti karton, pentinak dan lain-lain. Kumparan tersebut berfungsi sebagai alat transformasi tegangan dan arus.

Gambar 6. Kumparan phasa R, S, T

c.        Minyak transformator

Sebagian besar kumparan dan inti trafo tenaga direndam dalam minyak traf, terutama trafo-trafo tenaga yang berkapasitas besar, karena minyak trafo mempunyai sifat sebagai isolasi dan media pemindah, sehingga minyak trafo tersebut berfungsi sebagai media pendingin dan isolasi. d. Bushing

Hubungan antara kumparan trafo ke jaringan luar melalui sebuah bushing yaitu sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator, yang sekaligus sebagai penyekat antara konduktor tersebut dengan tangki trafo.

Gambar 7. Bushing transformator

e. Tanki konservator

Tanki konservator berfungsi untuk mengatasi adanya pemuaian minyak trafo yang terdapat pada tanki trafo.

Gambar 8. Tanki Konservator

2.2.2     Peralatan Bantu

Peralatan bantu pada transformator terdiri dari sistem pendingin, tap changer, alat pernapasan (silica gell), dan indikator kondisi transformator

a. Pendingin

Pada inti besi dan kumparan akan timbul panas akibat rugi-rugi besi dan rugi-rugi tembaga. Bila panas tersebut mengakibatkan kenaikan suhu yang berlebihan akan merusak isolasi (didalam transformator). Maka untuk mengurangi kenaikan suhu transformator yang berlebihan maka perlu dilengkapi dengan alat/sistem pendingin untuk menyalurkan panas keluar transformator. Media yang dipakai pada sistem pendingin dapat berupa udara/gas, minyak, dan air. Proses pengaliran (sirkulasi) menggunakan cara alamiah (natural) dan tekanan (paksaan). 

Pada cara alamiah (natural), pengaliran media sebagai akibat adanya perbedaan suhu media dan untuk mempercepat perpindahan panas dari media tersebut ke udara luar diperlukan bidang perpindahan panas yang lebih luas antara media (minyak-udara/gas), dengan cara melengkapi transformator dengan sirip-sirip radiator (radiator). Bila diinginkan penyaluran panas yang lebih cepat lagi, cara natural/alamiah tersebut dapat dilengkapi dengan peralatan untuk mempercepat sirkulasi media pendingin dengan pompa-pompa sirkulasi minyak, udara dan air. Cara ini disebut pendingin paksa (forced). Macam-macam sistem pendingin transformator berdasarkan media dan cara pengalirannya dapat diklasifikasikan sebagai berikut:

Tabel 1. Tabel Macam-macem sistem pendingin

Gambar 9. Susunan motor blower untuk alat pendingin minyak transformator

b. Tap Changer (Perubahan tap)

Tap changer adalah alat perubahan perbandingan transformasi untuk mendapatkan tegangan operasi sekunder yang lebih baik (diinginkan) dari tegangan jaringan / primer yang berubah ubah. Tap changer yang hanya bisa beroperasi untuk memindahkan tap transformator dalam keadaan transformator tidak berbeban disebut “off load tap changer” dan hanya dapat dioperasikan manual. Tap changer yang dapat beroperasi untuk memindahkan tap transformator, dalam keadaan transformator berbeban disebut “on load tap changer” dan dapat dioperasikan secara manual atau otomatis. Untuk memenuhi kualitas tegangan pelayanan sesuai kebutuhan konsumen (PLN Distribusi), tegangan keluaran (sekunder) transformator harus dapat dirubah sesuai keinginan. Untuk memenuhi hal tersebut, maka pada salah satu atau pada kedua sisi belitan transformator dibuat tap (penyadap) untuk merubah perbandingan transformasi (rasio) trafo. Ada dua cara kerja tap changer: 1) Mengubah tap dalam keadaan trafo tanpa beban

2) Mengubah tap dalam keadaan trafo berbeban (on load tap changer /OLTC)

Transformator yang terpasang di gardu induk pada umumnya menggunakan tap changer yang dapat dioperasikan dalam keadaan trafo berbeban dan dipasang di sisi primer. Sedangkan transformator penaik tagangan di pembangkit atau pada trafo kapasitas kecil, umumnya menggunakan tap changer yang dioperasikan hanya pada saat trafo tenaga tanpa beban. OLTC Terdiri dari:

1)       Selector switch

2)       Diverter switch, dan 

3)       Transisi resistor

Untuk mengisolasi dari bodi trafo (tanah) dan meredam panas pada saat proses perpindahan tap, maka OLTC direndam didalam minyak isolasi yang biasanya terpisah dengan minyak isolasi utama trafo (ada beberapa trafo yang compartemennya menjadi satu dengna main tank).

Karena pada proses perpindahan hubungan tap didalam minyak terjadi fenomena elektris, mekanis, kimia dan panas, maka minyak isolasi OLTC kualitasnya akan cepat menurun Tergantung dari jumlah kerjanya dan adanya kelainan di dalam OLTC.

Gambar 10. Perubahan Tap Tegangan Tinggi

c.        Alat Pernapasan (Silicagel)

Kerena pengaruh naik turunnya beban transformator maupun suhu udara luar maka suhu minyak pun akan berubah ubah mengikuti keadaan tersebut Bila suhu minyak tinggi, minyak akan memuai dan mendesak udara diatas permukaan minyak keluar dari tanki, sebaliknya apabila suhu minyak turun, minyak menyusut maka udara luar akan masuk kedalam tanki. Kedua proses diatas disebut pernapasan transformator.  Akibat pernapasan transformator tersebut maka permukaan minyak akan selalu bersinggungan dengan udara luar. Udara luar yang lembab akan menurunkan nilai tegangan tembus minyak transformator, maka untuk mencegah hal tersebut, pada ujung pipa penghubung udara luar dilengkapi dengan alat pernapasan, berupa tabung berisi kristal zat hygroskopis.

Gambar 11. Gambar Alat pernapasan  

d.       Indikator

Untuk mengawasi selama transformator beroperasi, maka perlu adanya indikator pada transformator sebagai berikut:

•       Indikator suhu minyak (Gambar 2.16.).

•       Indikator permukaan minyak. (Gambar 2.16.)

•       Indikator sistem pendingin.

•       Indikator kedudukan tap.

•       Dan sebagainya.

3.         Sistem Proteksi Transformator

Sistem proteksi atau pengaman pada transformator terdiri dari sistem pengaman dari gangguan luar dan pengaman dari gangguan internal yang meliputi rele bucholz, pengaman tekanan lebih (Pressure Relieve Vent), Rele tekanan lebih (Sudden Pressure Relay), rele diferensial, rele arus lebih tangki tanah, rele hubung tanah, rele termis dan proteksi fire. 

3.1.    Rele Bucholz

Rele bucholz adalah alat/rele untuk mendeteksi dan mengamankan terhadap gangguan di dalam transformator yang menimbulkan gas. Gas yang timbul diakibatkan oleh karena:

1.       Hubung singkat antar lilitan/dalam phasa

2.       Hubung singkat antar phasa

3.       Hubung singkat antar phasa ke tanah

4.       Busur api listrik antar laminasi

5.       Busur api listrik karena kontak yang kurang baik 

Gambar 12. Rele Bucholz

3.2.    Pengaman tekanan lebih (Pressure Relieve Vent)

Alat  ini  berupa  membrane yang  dibuat  dari  kaca,  plastik, tembaga atau  katup berpegas, berfungsi sebagai pengaman tangki transformator terhadap kenaikan tekanan gas yang timbul di dalam tangki (yang akan pecah pada tekanan tertentu) dan kekuatannya lebih rendah dari kekuatan tangki transformator.

3.3.    Rele tekanan lebih (Sudden Pressure  Relay)

Rele ini berfungsi hampir sama seperti rele Bucholz, yakni pengaman terhadap gangguan di dalam transformator. Bedanya rele ini hanya bekerja oleh kenaikan tekanan gas yang tiba-tiba dan langsung menjatuhkan PMT.

Gambar 13. Pengaman tekanan lebih.

3.4.    Rele diferensial

Berfungsi mengamankan transformator dari gangguan di dalam transformator antara lain flash over antara kumparan dengan kumparan atau kumparan dengan tangki atau belitan dengan belitan didalam kumparan ataupun beda kumparan.

3.5.    Rele arus lebih

Berfungsi mengamankan transformator dari arus yang melebihi dari arus yang diperkenankan lewat dari transformator tersebut dan arus lebih ini dapat terjadi oleh karena beban lebih atau gangguan hubung singkat.

3.6.    Rele tangki tanah

Berfungsi untuk mengamankan transformator bila ada hubung singkat antara bagian yang bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan pada transformator.

3.7.    Rele hubung tanah

Berfungsi untuk mengamankan transformator bila terjadi gangguan satu phasa ke tanah.

3.8.    Rele termis

Berfungsi untuk mencegah/mengamankan transformator dari kerusakan isolasi kumparan, akibat adanya panas lebih yang ditimbulkan akibat arus lebih. Besarnya yang diukur di dalam rele ini adalah kenaikan temperatur.

3.9.    Proteksi api

Trafo Tenaga adalah salah satu peralatan yang cukup mahal yang terpasang di pusat pembangkit dan Gardu Induk. Setiap Trafo Tenaga terisi dengan material yang mudah terbakar dengan jumlah yang cukup besar yang mana bila tersulut dapat menjalarkan api ke instalasi yang berdekatan. Oleh karena itu sangat perlu dilengkapi dengan peralatan pengamannya. Kegagalan-kegagalan Trafo Tenaga umumnya disebabkan oleh Break Down isolasi pada bagian internal Trafo. Adanya energi busur listrik akan diikuti kenaikan temperatur dan tekanan yang sangat cepat di dalam tangki Trafo. Terbakarnya minyak pada jumlah tertentu dapat mengakibatkan tekanan yang sangat tinggi kearah luar melalui kisaran bidang tertentu dan dapat langsung diikuti nyala api. Salah satu peralatan proteksi yang dapat mencegah api dan ledakan yang merusak Trafo adalah “SERGI” yang metode pengamanannya disebut sebagai pengaman Trafo dari ledakan dan kebakaran.