Transformator, Jenis Gangguan dan Pengukuranya

A. Definisi Transformator

Transformator atau yang biasa dikenal dengan trafo adalah komponen listrik yang berfungsi untuk menaikkan atau menurunkan tegangan listrik dengan demikian fungsi transformator sangat diperlukan dalam sebuah sistem atau rangkaian listrik. Transformator berperan dalam menyalurkan tenaga atau daya listrik dari tegangan tinggi ke tegangan yang rendah atau sebaliknya tanpa mengubah frekuensinya.

Transformator terdiri dari dua atau lebih kumparan yang membungkus inti besi feromagnetik. Kumparan-kumparan tersebut biasanya satu sama lain tidak dihubungkan secara langsung.  Kumparan yang satu dihubungkan dengan sumber listrik AC (kumparan primer) dan kumparan yang lain mensuplai listrik ke beban (kumparan sekunder). Bila terdapat lebih dari dua kumparan maka kumparan tersebut akan disebut sebagai kumparan tersier, kuarter, dst.

                       Trafo apabila ditinjau dari kegunaannya dapat dibedakan menjadi bermacam macam antara lain:

1. Trafo tenaga, ada 2 macam yaitu:
   1. Trafo penaik tegangan (step up)
   2. Trafo penurun tegangan (step down)
2. Trafo distribusi
3. Trafo pengukuran, ada 2 macam yaitu:
   1. Trafo tegangan
   2. Trafo arus
4. Trafo dengan bentuk khusus,misal:
   1. Trafo pemberi daya
   2. Trafo pengatur tegangan
   3. Trafo las

B. Cara Kerja Transformator

Transformator bekerja berdasarkan prinsip elektromagnetik. Ketika Kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, perubahan arus listrik pada kumparan primer menimbulkan perubahan medan magnet. Medan magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi. Inti besi berfungsi untuk mempermudah jalan fluksi yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melalui kumparan, sehingga fluks magnet yang ditimbulkan akan mengalir ke kumparan sekunder, sehingga pada ujung-ujung kumparan sekunder akan timbul ggl induksi.

Efek ini dinamakan induktansi timbal-balik (mutual inductance). Bila pada rangkaian sekunder ditutup (rangkaian beban) maka akan mengalir arus pada kumparan sekunder.  Jika efisiensi sempurna (100%), semua daya pada lilitan primer akan dilimpahkan ke lilitan sekunder.

Jika kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan AC (dialiri arus listrik AC), besi lunak akan menjadi elektromagnet. Karena arus yang mengalir tersebut adalah arus AC, garis-garis gaya elektromagnet selalu berubah-ubah. Oleh karena itu, garis-garis gaya yang dilingkupi oleh kumparan sekunder juga berubah-ubah. Perubahan garis gaya itu menimbulkan GGL induksi pada kumparan sekunder. Hal itu menyebabkan pada kumparan sekunder mengalir arus AC (arus induksi).

Untuk keperluan apa tegangan atau arus suatu trasformator diubah, ada beberapa alasan antara lain:

1. Digunakan untuk pengiriman tenaga listrik
2. Untuk menyesuaikan tegangan
3. Untuk mengadakan pengukuran dari besaran listrik
4. Untuk memisahkan rangkaian yang satu dengan yang lain
5. Untuk memberikan tenaga pada alat tertentu

C. Jenis Gangguan

1. Gangguan Dalam (Internal Fault)

Internal Fault adalah gangguan yang bersumber dari dalam transformator itu sendiri.  Gangguan ini dapat diklasifikasikan sebagai berikut :

1.1. Incipient Faults

a. Terjadi busur api (are) yang kecil dan pemanasan lokal yang dapat disebabkan oleh:

• cara penyambungan konduktor yang tidak baik
• partial discharge
• kerusakan isolasi pada baut – baut penjepit inti

b. Gangguan pada sistem pendingin

c. Arus sirkulasi pada trafo – trafo yang bekerja paralel

Semuanya ini menyebabkan pemanasan lokal, tetapi tidak mempengaruhi suhu trafo secara keseluruhan. Gangguan ini tidak dapat dideteksi dari terminal trafo karena besar dan keseimbangan arus serta tegangan tidak berbeda dengan kondisi pada operasi normal. Walaupun incipient faults merupakan gangguan yang kecil, tetapi jika tidak segera dideteksi akan membesar dan menimbulkan kerusakan yang lebih serius.

d. Gangguan hubung singkat di dalam transformator misalnya hubung singkat diantara gulungan belitan tegangan tinggi atau rendah.

2. Through Fault.

Gangguan ini terjadi di luar transformator dan dapat diklasifikasikan sebagai berikut :

2.1. Gangguan diluar (External Fault)

Gangguan hubung singkat antara fasa atau gangguan fasa ke tanah di Iuar transformator, misalnya di busbar atau di sisi penyulang tegangan menengah. Arus gangguan ini cukup besar dan dapat di deteksi.

2.2  Beban lebih (Over load)

Transformator tenaga dapat beroperasi secara kontinu pada beban nominal. Bila beban lebih besar dari beban nominal, maka transformator akan berbeban lebih, akan menimbulkan arus lebih yang mengakibatkan pemanasan lebih. Ini akan menurunkan kemampuan isolasi.

3. Gelombang Surja

Gelombang surja dapat terjadi karena cuaca, yaitu petir yang menyambar jaringan transmisi dan kemudian akan merambat ke gardu terdekat dimana transformator tenaga terpasang. Walaupun hanya terjadi dalam kurun waktu sangat singkat (beberapa puluh mikrodetik), akan tetapi karena tegangan puncak yang dimiliki cukup tinggi dan energi yang dikandungnya besar, maka ini dapat menyebabkan kerusakan pada transformator tenaga.

Disamping dapat menyebabkan kerusakan pada peralatan , gangguan tersebut dapat juga membahayakan manusia atau operator yang ada disekitarnya. Akibat-akibat yang terjadi pada manusia atau operator adalah seperti terkejut, pingsan bahkan sampai meninggal.

D. Jenis-jenis Pengukuran Transformator

Sebelum trafo dikeluarkan dari pabriknya atau digunakan sesuai fungsinya, maka perlu dilakukan uji kelayakan (Quality Assurance : QA) dari trafo tersebut. Berikut ini merupakan klasifikasi standar pengujian yang diperlukan sebagai dasar acuan yang meliputi :

1. Insulation Resistance / Meg-Ohm Test

            Pengukuran hambatan isolasi belitan  trafo ialah proses pengukuran dengan suatu alat ukur Insulation Tester (megger) untuk memperoleh hasil (nilai/besaran) hambatan isolasi belitan / kumparan trafo tenaga antara bagian yang diberi tegangan (fasa) terhadap badan (Case) maupun antar belitan primer, sekunder dan tertier (bila ada). Pada dasarnya pengukuran hambatan isolasi belitan trafo adalah untuk mengetahui besar (nilai) kebocoran arus (leakage current) yang terjadi pada isolasi belitan atau kumparan primer, sekunder atau tertier. Kebocoran arus yang menembus isolasi peralatan listrik memang tidak dapat dihindari. Oleh karena itu, salah satu cara meyakinkan bahwa trafo cukup aman untuk diberi tegangan adalah dengan mengukur hambatan isolasinya. Kebocoran arus yang memenuhi ketentuan yang ditetapkan akan memberikan jaminan bagi trafo itu sendiri sehingga terhindar dari kegagalan isolasi

Pengukuran Insulation Resistance berdasarkan standar IEEE mengenai Index Polarisasi dan resistansi isolasi berdasarkan tabel berikut ini :

Tabel Tegangan test untuk tiap–tiap tegangan kerja

Winding Voltage Class (kV)	Insulation Test Voltage (V)
1.2	1000
2.5 – 5.0	2500
8.7 – 15.0	5000

Nilai minimum Insulation Resistance (IR) dalam satu menit untuk transformator didapatkan dari hubungan berikut:

Rmin     = C x E/(kVA)1/2

dengan:

R         = nilai minimum Insulation Resistance (dalam MegaOhm)

C         = 1.5 untuk trafo saat 20o C,   = 30 untuk core dan coils (untanked)

E          = rating tegangan dalam volt (phase to phase) untuk trafo yang    terhubung delta dan phase to neutral untuk trafo yang terhubung bintang

 kVA    = rated capacity

2.Polarization Index Test

            Tujuan dari pengujian index polarisasi adalah untuk memastikan peralatan tersebut layak dioperasikan atau bahkan untuk dilakukan overvoltage test. Index polarisasi merupakan rasio hambatan isolasi saat menit ke 10 dengan menit ke 1 dengan tegangan yang konstan.

Arus total yang muncul saat memberikan tegangan dc steady state terdiri dari:

• Changing current karena sifat kapasitansi dari isolasi yang diukur. Arus ini turun dari nilai maksimum ke nol sangat cepat.
• Absorption current karena molecular charge shifting pada isolasi. Arus transien ini menghilang sampai nol lebih lambat
• Leakage current merupakan arus konduksi nyata pada isolasi. Leakage currentbervariasi tergantung tegangan uji. Juga termasuk arus bocor dikarenakan kebocoran pada permukaan akibat kontaminasi.

Leakage current meningkat lebih cepat dengan kehadiran moisture dibandingkan absorption current, pembacaan megger tidak akan meningkat seiring waktu layaknya antara kecepatan pada isolasi buruk dengan cepatnya isolasi yang bagus. Hal ini berdampak pada rendahnya index polarisasi. Keuntungan dari index ratio adalah dengan banyaknya hal  yang dapat mempengaruhi pembacaan megger seperti suhu dan kelembaban, baik pada 1 menit maupun 10 menit.

Tabel Standar Index Polarisasi

Kondisi	Index Polarisasi
Berbahaya	< 1,0
Jelek	1,0 – 1,1
Dipertanyakan	1,1 – 1,25
Baik	1,25 – 2,0
Sangat Baik	Di atas 2.0

3.Winding Resistance Test

Belitan pada trafo merupakan konduktor yang dibentuk mengelilingi/melingkari inti besi sehingga pada saat diberikan tegangan AC (Alternating Current) maka belitan tersebut akan memiliki nilai induktansi (XL) dan nilai resistif (R). Pengujian hambatan dc dimaksudkan untuk mengukur nilai resistif (R) dari belitan dan pengukuran ini hanya bisa dilakukan dengan memberikan arus DC (Direct Current) pada belitan. Oleh karena itu pengujian ini disebut pengujian hambatan DC.

Pengujian hambatan DC dilakukan untuk mengetahui kelayakan dari koneksi–koneksi yang ada di belitan dan memperkirakan apabila ada kemungkinan hubung singkat atau resistansi yang tinggi pada koneksi belitan. Pada trafo tiga fasa proses pengukuran dilakukan pada masing–masing belitan pada titik fasa ke netral dan pada hubungan antar fasa.

Besar nilai resistansi masing–masing fasa pada transformator harus seimbang (balance) satu sama lain dengan toleransi sebesar ±5%.

4.Transformer Turn Ratio (TTR) Test

  Transformer Turn Ratio (TTR) Test atau pengukuran perbandingan belitan transformator adalah pengukuran yang dilakukan untuk mengetahui perbandingan jumlah kumparan sisi tegangan tinggi dan sisi tegangan rendah pada setiap tapping, sehingga tegangan output yang dihasilkan oleh transformator sesuai dengan yang dikehendaki. Tujuan dari pengujian ratio belitan pada dasarnya untuk mendiagnosa adanya masalah dalam antar belitan dan seksi sistem isolasi pada trafo. Pengujian ini akan mendeteksi adanya hubung singkat atau ketidaknormalan pada tap changer. Tingginya nilai resistansi akibat lepasnya koneksi atau konduktor yang terhubung ground dapat dideteksi. Pengukuran dapat dilakukan dengan menggunakan Transformer Turn Ratio Test (TTR).

Analisa hasil pengujian ratio test adalah dengan membandingkan hasil pengukuran dengan nameplate ratio tegangan pada trafo dengan batasan kesalahan sebesar 0,5% (standart IEEE C57.125.1991). Jika hasil pengujian ratio test lebih dari 0,5% maka disarankan untuk melakukan pengujian – pengujian lainnya.

5. Vector Group

Pemeriksaan vector group bertujuan untuk mengetahui apakah polaritas terminal-terminal trafo positif atau negatif. Standar dari notasi yang dipakai adalah addictive dan subtractive. Gulungan dapat dihubungkan sebagai delta, bintang, atau saling berhubungan-Bintang (zigzag). Winding polaritas juga penting, karena membalikkan koneksi di satu set gulungan mempengaruhi fase-pergeseran antara primer dan sekunder. Untuk menentukan polaritas transformator, dapat dilihat dari hasil pengujian dimana hasil yang diperoleh hanya ada kemungkinan, sesuai dengan jenis polaritas transformator. Dalam hal ini untuk menentukan polaritas transformator tersebut adalah :

1. Apabila Voltmeter V’ > V ( ggl induksi saling menjumlahkan ), maka disebut

polaritas penjumlahan (additive).

2. Apabila Voltmeter V’ < V ( ggl induksi saling mengurangi ), maka disebut

polaritas pengurangan (subtractive).

Vektor tegangan primer dan sekunder suatu transformator dapat dibuat searah atau berlawanan dengan mengubah cara melilit kumparan. Untuk transformator tiga phasa, arah tegangan akan menimbulkan perbedaan phasa, arah dan besar perbedaan phasa tersebut akan mengakibatkan adanya berbagai macam kelompok hubungan pada transformator tersebut.

Dalam menentukan kelompok hubungan diambil beberapa patokan, yaitu :

1. Notasi untuk hubungan delta, bintang dan hubungan zigzag masing-masing adalah D, Y, Z untuk sisi tegangan tinggi dan d, y, z untuk sisi tegangan rendah.
2. Untuk urutan phasa U, V, W untuk tegangan tinggi dan u, v, w untuk tegangan rendah.
3. Tegangan sisi primer dianggap sebagai tegangan tinggi dan tegangan sisi sekunder tegangan rendah.
4. Angka jam menyatakan bagaimana letak sisi kumparan tegangan tinggi terhadap tegangan rendah.
5. Jarum jam panjang dibuat selalu menunjuk angka 12 dan dibuat berimpit (dicocokkan) dengan vector phasa VL tegangan tinggi line to line.
6. Bergantung pada perbedaan phasanya, vector phasa tegangan rendah (u, v, w) dapat dilukiskan, letak vector phasa vl tegangan rendah line to line menunjukkan arah jarum pendek.
7. Sudut antara jarum jam panjang dan pendek adalah pergeseran vektor phasa V dan v.

6. Tan Delta Test

Isolasi trafo merupakan bagian yang kritis pada trafo tenaga, pemburukan atau kegagalan isolasi dapat menyebabkan kegagalan operasi atau bahkan kerusakan trafo. Salah satu metode  untuk mengetahui kondisi isolasi adalah dengan melakukan pengujian tangen delta. Tan delta atau sering disebut Loss Angle atau pengujian faktor disipasi adalah metoda diagnostik secara elektikal untuk mengetahui kondisi isolasi. Jika isolasi bebas dari defect, maka isolasi tersebut akan bersifat kapasitif sempurna seperti halnya sebuah isolator yang berada diantara dua elektroda pada sebuah kapasitor.

Tan δ menyatakan faktor rugi – rugi daya, besaran inilah yang menjadi indikasi besarnya daya yang terdisipasi, semakin besar  nilai tangen delta maka semakin besar daya yang terdisipasi yang berarti kualitas isolasi semakin buruk.

Berdasarkan literatur Doble untuk trafo baru dapat dinyatakan dalam kondisi baik bila nilai hasil uji tangen delta kurang dari 0.5 % sedangkan trafo yang sudah beroperasi berdasarkan standar , interpretasi hasil uji tangen deltanya sebagai berikut :

Berikut ini merupakan standard batasan nilai Tan Delta berkaitan dengan nilai Un-nya (Un adalah tegangan pada sisi primer dan pada sisi sekunder).

Tabel Standard batasan nilai Tan Delta

Tanδ 0,2Un	(Tanδ 0,6Un – Tanδ 0,2Un)/2		∆ Tanδ per interval 0,2Un
	95% of speciments	Remaining 95% of speciments	95% of speciments	Remain 5% of speciments
4%	0,25%	0,3%	0,5%	0,6%

7. Short Circuit & Impedance Test

Pengujian hubung singkat (short circuit) dilakukan pada trafo untuk dapat mengetahui kemampuan trafo terhadap tekanan elektrik dan mekanik yang disebabkan oleh hubung singkat pada bagian beban. Hubung singkat yang dimaksud dapat meliputi hubung singkat satu fase ke tanah, fase – fase, tiga fase, dan double fase ke tanah. Kejadian hubung singkat dapat membentuk arus simetri dan arus asimetri pada trafo.        

Prosentase impedansi dari sebuah trafo ialah voltage drop pada keadaan full load yang disebabkan resistansi kumparan dan reaktansi bocor yang digambarkan sebagai persentase dari tegangan rating selain itu juga menggambarkan persentase tegangan nominal terminal untuk melayani arus full load selama kondisi short circuit.

Impedansi diukur dengan uji short circuit. Ketika salah satu kumparan dihubungfungsikan tegangan pada kumparan yang satunya cukup untuk mensirkulasikan arus full load. Deviasi antara impedansi pengukuran dan impedansi yang tertera pada nameplate tidak boleh lebih dari 10%.

8. SFRA (Sweep Frequency Response Analyzer)

SFRA adalah suatu peralatan yang dapat memberikan informasi tentang adanya pergeseran pada inti dan belitan suatu transformator. Dengan melakukan pengujian, dapat diketahui bagaimana suatu belitan memberikan sinyal bertegangan rendah dalam berbagai variasi frekuensi. Sebuah transformator adalah sebuah rangkaian impedansi dimana unsur – unsur kapasitif dan induktif berhubungan dengan konstruksi fisik transformator. Perubahan – perubahan dalam frekuensi respons terukur dalam teknik SFRA yang mengindikasikan perubahan fisik dalam suatu transformator yang harus diidentifikasi dan diinvestigasi.

Tujuan Pengujian SFRA antara lain adalah untuk mengetahui kualitas transformator daya saat :

• Tahap pembuatanb) Terjadinya hubung singkat
• Terdapat tanda – tanda gangguan sistem transportasi
• Telah terjadi perpindahan letak
• Terdapat penurunan kinerja

Referensi transformator keadaan normal dapat diperoleh dari :

• Transformator baru atau pengujian sebelumnya
• Transformator sejenis (sister unit)
• Fasa lainnya pada transformator yang sama

Hal – hal yang harus diperhatikan dalam melakukan pengujian SFRA:

1. Transformator harus dilepaskan dulu dari sistem (offline test)
2. Semua peralatan juga harus diketanahkan
3. Dilakukan 1 kali dalam 2 tahun pada semua belitan transformator (primer, sekunder dan tersier)