1. Transformator
a) Prinsip Kerja
Hukum utama dalam transformator adalah hukum induksi faraday. Menurut hukum ini suatu gaya listrik melalui garis lengkung yang tertutup, adalah berbanding dengan perubahan persatuan waktu dari pada arus induksi atau flux yang dilingkari oleh garis lengkung itu.
Selain hukum Faraday, transformator menggunakan hukum Lorenz.
Dasar dari teori transformator sebagai berikut: Arus listrik bolak balik yang mengalir mengelilingi suatu inti besi maka inti besi itu berubah menjadi magnit dan apabila magnit tersebut dikelilingi oleh suatu belitan maka pada kedua ujung belitan tersebut akan terjadi beda tegangan.
b) Pengertian Transformator
Transformator tenaga adalah suatu peralatan tenaga listrik yang berfungsi untuk menyalurkan tenaga/daya listrik dari tegangan tinggi ke tegangan rendah atau sebaliknya.
Dalam operasi penyaluran tenaga listrik transformator dapat dikatakan sebagai jantung dari transmisi dan distribusi. Dalam kondisi ini suatu transformator diharapkan dapat beroperasi secara maksimal (kalau bisa terus menerus tanpa berhenti). Mengingat kerja keras dari suatu transformator seperti itu maka cara pemeliharaan juga dituntut sebaik mungkin. Oleh karena itu transformator harus dipelihara dengan menggunakan sistem dan peralatan yang benar, baik dan tepat. Untuk itu regu pemeliharaan harus mengetahui bagian-bagian transformator dan bagian-bagian mana yang perlu diawasi melebihi bagian yang lainnya.
Berdasarkan tegangan operasinya dapat dibedakan
menjadi transformator 500/150 kV dan 150/70 kV biasa disebut Interbus Transformator (IBT). Transformator 150/20 kV dan 70/20 kV disebut juga trafo distribusi. Titik netral transformator ditanahkan sesuai dengan kebutuhan untuk sistem pengamanan/proteksi. Sebagai contoh transformator 150/70 kV ditanahkan secara langsung di sisi netral 150 kV dan transformator 70/20 kV ditanahkan dengan tahanan rendah atau tahanan tinggi atau langsung di sisi netral 20 kV nya.
Transformator dapat dibagi menurut fungsi/pemakaian seperti:
1) Transformator Mesin (Pembangkit).
2) Tarnsformator Gardu Induk.
3) Transformator Distribusi
Transformator dapat juga dibagi menurut Kapasitas dan Tegangan seperti:
1) Transformator besar
2) Transformator sedang
3) Transformator kecil.
2. Konstruksi Bagian-bagian Transformator
a. Bagian Utama
1) 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.
2) Kumparan Transformator
Adalah beberapa lilitan kawat berisolasi yang membentuk suatu kumparan. Kumparan tersebut terdiri kumparan primer dan kumparan sekunder yang diisolasi baik terhadap inti besi maupun terhadap antar kumparan dengan isolasi padat seperti karton, pertinak dan lain-lain.
Kumparan tersebut sebagai alat transformasi tegangan dan arus.
Gambar 7. Kumparan Phasa RST.
3) Minyak Transformator
Sebagian besar kumparan-kumparan dan inti trafo tenaga direndam dalam minyak trafo, 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.
3. Bushing
Hubungan antara kumparan trafo ke jaringan luar melalui sebuah bushing yaitu sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator, yang sekaligus berfungsi sebagai penyekat antara konduktor tersebut dengan tangki trafo.
Gambar 8. Contoh Bushing Transformator
4. Tangki Konservator
Pada umumnya bagian-bagian dari trafo yang terendam minyak trafo berada (di tempatkan) dalam tangki. Untuk menampung pemuaian minyak trafo, tangki dilengkapi dengan konservator.
Gambar 9. Konservator Trafo
b. Peralatan Bantu
1) Pendingin Transformator
Transformator umumnya diisi minyak sebagai bahan isolasi antara kumparan dengan kumparan dan kumparan dengan kaki.
Transformator tenaga umumnya dilengkapi dengan sistem pendingin, yang dimaksudkan agar trafo dapat bekerja sesuai rating yang tertera pada spesifikasinya. Trafo yang dilengkapi pendingin adalah yang berkapasitas di atas 10 MVA. Tipe pendingin trafo adalah secara alami dan paksaan, yaitu menggunakan riben (sirip), radiator dan bantuan motor untuk mengembus udara. Banyaknya riben atau motor-motor yang terpasang sesuai dengan kapasitas trafo dan permukaan yang didinginkan.
Transformator dalam keadaan bertegangan dan belum dibebani akan timbul rugi-rugi yang dapat menimbulkan kondisi trafo tersebut panas, namun panas yang timbul kecil. Apabila transformator tersebut dibebani maka kumparan dan minyak di dalam trafo akan bertambah panas sesuai dengan kenaikan bebannya. Panas yang timbul pada kumparan akan diteruskan secara konduksi pada minyak trafo yang berfungsi sebagai pendingin. Baik kumparan maupun minyak trafo mempunyai batas-batas operasi panas yang diijinkan. Isolasi kumparan yang terdiri dari kertas kraft mempunyai batas panas yang diijinkan sesuai dengan klas isolasi spesifikasi trafo. Demikian juga minyak isolasi trafo mempunyai batas panas yang diijinkan. Apabila panas-panas tersebut dilampaui maka isolasi akan rusak dan secara keseluruhan transformator tersebut akan rusak. Panas tersebut harus direduksi dengan memasang sistem pendingin yaitu: riben, radiator kipas-kipas dan pompa minyak.
(a) Pendingin Dengan Riben
Transformator dengan kapasitas 10 sampai dengan 30 MVA menggunakan riben atau sirip-sirip sebagai pendingin. Minyak panas yang ditimbulkan oleh panas kumparan akan terjadi pada bagian atas trafo sementara minyak yang dingin berada di bawah bagian trafo. Kondisi ini secara alami akan mengalir dari bawah trafo dan diteruskan melalui riben atau sirip pendingin, yang dirancang sedemikian sehingga minyak panas yang melalui riben akan didinginkan oleh aliran udara luar.
(b) Pendingin Menggunakan Kipas
Transformator dengan kapasitas lebih dari 30 MVA biasanya dilengkapi dengan riben kipas pendingin, radiator dan pompa minyak.
· Menggunakan Riben dan Kipas
Minyak trafo panas yang dialirkan melalui riben seperti yang dijelaskan di atas akan dihembus dengan udara dari kipas pendingin, baik secara vertikal ataupun horizontal sehingga minyak panas sebelum masuk kedalam trafo telah didinginkan dengan udara luar dengan bantuan kipas angin.
· Menggunakan adiator dan Kipas Pendingin
Minyak panas dari dalam trafo dipompa dengan motor pompa minyak dialirkan melalui radiator-radiator dan pada bagian depan radiator terpasang kipas-kipas pendingin yang akan menarik udara panas yang ditimbulkan oleh minyak panas ke udara luar dan dari sela-sela radiator akan mengalir udara segar yang akan mendinginkan minyak trafo.
Gambar 10. Pendingin Sirip dan Kipas
2) Pengaruh Panas pada Transformator
Panas lebih pada trafo adalah sangat merusak pengaruhnya baik pada sistem solasi maupun minyak trafo. Besi maupun tembaga umumnya tidak berpengaruh.
(a) Kertas Selulose
Material isolasi dapat menciut dan sangat rapuh. Pengaruh sekunder dari panas lebih juga sangat penting misalnya produksi gas dan free water pada waktu terjadi dekomposisi dari material pressboard dan kertas. Jika ada free water yang tersisa selanjutnya akan mempercepat proses degradasi isolasi. Jika terdapat gasses selama dekomposisi tak dapat keluar dari winding gelembung-gelembung dapat terkumpul pada daerah tekanan listrik yang tinggi, akan memindahkan minyak (displace oil) dan akan memberikan kerusakan sebelum waktunya (premature failure). Oleh karena itu sejak transformator tidak tahan terhadap hubung singkat, tegangan impulse, switching surge, beban lebih dari transformator harus dibatasi dari hot spot temperatur tidak lebih dari 1400C.
(b) Minyak Mineral
Mengingat lagi aturan untuk kertas selulose sebagai “80 C” sementara minyak trafo beroperasi pada “100 C”. Pemilik atau operator harus berpendapat dua temperatur kritis yaitu 1500 C dan 1100 C untuk isolasi padat dan 600 C untuk isolasi minyak trafo.
Umur minyak trafo yang berguna dapat diharapkan jika temperatur minyak bagian atas tidak lebih dari 600 C. Harapan umur berguna minyak trafo kondisi energize dapat mencapai 20 tahun sebelum mencapai titik kritis jumlah kandungan asam 0,25 mg KOH/g. Jumlah kandungan asam ini tak tercapai, tingkat perubahan umur minyak trafo dari linier menjadi fungsi eksponensial. Umur berguna minyak trafo dipotong ½ untuk kenaikan setiap 100 C beyond 600 C faktor yang lain konstan. Tabel berikut memperlihatkan periode waktu yang diharapkan pada bermacam-macam suhu operasi untuk mencapai jumlah kandungan asam kritis. Sementara ANSI/IEEE membuat kriteria untuk kertas kraft dan untuk isolasi minyak tidak ada petunjuk. Selanjutnya disarankan pemilik atau operator menjaga kebenaran pikiran : umur maksimum minyak dan kertas adalah 600 C adalah temperatur maksimum minyak bagian atas yang diijinkan. Apabila temperatur melebihi 600 C, segera ambil langkah untuk membenarkan masalah ini. Rugi Listrik
Rugi-rugi I2R konduktor dan rugi inti yang bertambah dengan naiknya temperatur. Ini merupakan pemborosan energi dalam bentuk panas.
(c) Polimeric Wire Coating
Untuk beberapa jenis coating polimeric konduktor temperatur mencapai 1200 C dan lebih tinggi lagi dapat menghasilkan rugi-rugi dielektrik yang signifikan.
3) Tap Changer
Tap changer adalah alat perubah perbandingan transformasi untuk mendapatkan tegangan operasi sekunder yang lebih baik (diinginkan) dari tegangan jaringan/primer yang berubah-rubah. 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 tarnsformator, dalam keadaan transformator berbeban disebut “On Load Tap Changer” dan dapat dioperasikan secara manual atau otomatis.
Ada dua cara kerja tap changer:
(a) Mengubah tap dalam keadaan trafo tanpa beban.
(b) Mengubah tapa 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 dipasang di sisi primer. Sedangkan transformator penaik tegangan di pembangkit atau pada trafo kapasitas kecil, umumnya menggunakan tap changer yang dioperasikan hanya pada saat tenaga 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 di dalam minyak isolasi yang biasanya terpisah dengan minyak isolasi utama trafo (ada beberapa trafo yang compartemennya menjadi satu dengan main tank).
Karena pada proses perpindahan hubungan tap di dalam 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.
4) Alat Pernapasan (Silicagel)
Karena pengaruh naik turunnya beban transformator maupun udara luar, maka suhu minyak pun akan berubah-ubah mengikuti keadaan tersebut.
Bila suhu minyak tinggi, minyak akam memuai dan mendesak udara di atas permukaan minyak keluar dari tangki, sebaliknya apabila suhu minyak turun, minyak menyusut maka udara luar akan masuk ke dalam tangki.
Kedua proses di atas 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.
5) Indikator
Untuk mengawasi selama transformator beroperasi, maka perlu adanya indikator pada transformator sebagai berikut:
(a) Indikator suhu minyak
(b) Indikator permukaan minyak
(c) Indikator sistem pendingin
(d) Indikator kedudukan tap
(e) Dan sebagainya
Gambar 11. Alat Pengukur Suhu
c. Peralatan Proteksi
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:
a. Hubung singkat antar lilitan/dalam phasa.
b. Hubung singkat antar phasa.
c. Hubung singkat antar phasa ke tanah.
d. Busur api listrik antar laminasi.
e. Busur api listrik karena kontak yang kurang baik.
2. Pengaman Tekanan Lebih (Explosive Membrane/ Pressure-elief 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. 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.
d. Peralatan Tambahan untuk Pengaman Transformator
1. Rele Diffrensial
Berfungsi mengamankan transformator dari gangguan di dalam transformator antara lain, Flash Over antara kumparan atau kumparan dengan tangki atau belitan dengan belitan di dalam kumparan ataupun beda kumparan.
2. Rele Arus Lebih
Berfungsi mengamankan transformator dari arus yang melebihi dan dari arus yang telah diperkenankan lewat dari transformator tersebut dan arus lebih ini dapat terjadi oleh karena beban lebih atau gangguan hubung singkat.
3. Rele Tangki Tanah
Berfungsi untuk mengamankan transformator bila ada hubung singkat antara bagian yang bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan pada transformator.
4. Rele Hubung Tanah
Berfungsi untuk mengamankan transformator bila terjadi gangguan satu phasa ke tanah.
5. Rele Termis
Berfungsi untuk mencegah/mengamankan transfor-mator dari kerusakan isolasi kumparan, akibat adanya panas lebih yang ditimbulkan arus lebih. Besarnya yang diukur di dalam rele ini adalah kenaikan temperatur.
6. Minyak Trafo (Transformator Oil)
Fungsi dari Minyak Trafo adalah: Insulator yaitu menginsolasikan kumparan di dalam trafo supaya tidak terjadi loncatan bunga api listrik (hubungan pendek) akibat tegangan tinggi. Pendingin yaitu mengambil panas yang ditimbulkan sewaktu trafo berbeban lalu melepaskannya. Melindungi komponen-komponen di dalam trafo terhadap korosi dan oksidasi.
Pada skema transformator di samping, 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.
Hubungan antara tegangan primer, jumlah lilitan primer, tegangan sekunder, dan jumlah lilitan sekunder, dapat dinyatakan dalam persamaan:
Sehingga dapat dituliskan:
