Jurnal Listrik, Instrumentasi, dan Elektronika Terapan, Vol. X, No. X, April/Oktober 20XX
1
ANALISIS PENGARUH KETIDAKSEIMBANGAN BEBAN PADA
TRANSFORMATOR 3 PHASE S3-437/12 TERHADAP KINERJA DAN
RUGI DAYA DI PT PLN (PERSERO) UNIT LAYANAN PELANGGAN
WONOSARI
1
Krida Anggana Suta1,*, Yuris Mulya Saputra1,
Departemen Teknik Elektro dan Informatika, Universitas Gadjah Mada; kridaanggana@mail.ugm.ac.id
Korespondensi: ym.saputra@ugm.ac.id
*
Abstract – The transformer plays an important role in the continuity of electricity distribution by adjusting the voltage that will be
used by consumers. In the 3-phase transformer S3-437/12 in the ULP Wonosari distribution network, an imbalance condition occurs.
This is caused by an uneven load distribution across the R, S, and T phases of the transformer. The high current value in one of the
phases due to the imbalance has the potential to cause tripping, which disrupts the transformer's performance in supplying electricity. In
the 3-phase transformer S3-437/12, the percentage of imbalance that occurs is 29.33%, which is below the standard specified in the Decree
of the Board of Directors Number: 0017 E/DIR/2014, which is <25%. This condition results in a measured neutral current of 45.13 A,
causing a neutral conductor power loss of 1334.81 Watts. The balancing solution involves prorate the total connected load to each phase
based on measurements through calculations and simulations using ETAP 19.0, resulting in a power loss reduction of 99.38% and an
imbalance percentage reduced to 1.16%.
Keywords – transformer, 3 phase system, unbalance load, neutral current, power loss
Intisari – Transformator berperan penting dalam kontinuitas distribusi listrik untuk menyesuaikan tegangan yang akan
digunakan pelanggan. Pada transformator 3 phase S3-437/12 di jaringan distribusi ULP Wonosari terjadi kondisi
ketidakseimbangan. Hal tersebut dipicu karena pembagian beban tidak merata pada phase R, S, dan T transformator. Nilai arus
yang besar pada salah satu phase karena ketidakseimbangan dapat berpotensi menyebabkan trip yang akan menggangu kinerja
tranformator dalam menyuplai listrik. Pada transformator 3 phase S3-437/12 presentase ketidakseimbangan yang terjadi sebesar
29,33% atau berada di bawah standar berdasarkan Surat Edaran Direksi PT.PLN (Persero) Nomor: 0017 E/DIR/2014, yaitu <25%.
Kondisi tersebut menyebabkan timbulnya arus pada netral terukur sebesar 45,13 A yang mengakibatkan rugi daya penghantar
netral sejumlah 1334,81 Watt. Solusi penyeimbangan dengan membagi total beban yang terhubung ke tiap phase secara terukur
melalui perhitungan dan simulasi ETAP 19.0 menghasilkan penurunan rugi daya sebesar 99,38% dan presentase ketidakseimbangan
turun menjadi 1,16%.
Kata kunci – transformator, sistem 3 phase, ketidakseimbangan beban, arus netral, rugi daya
I.
PENDAHULUAN
Transformator pada jaringan distribusi primer PLN
berfungsi untuk menurunkan tegangan dari tegangan
menegah 20 kV ke jaringan distribusi 220V/380V [1].
Berdasarkan data laporan inspeksi transformator PT. PLN
(Persero) ULP Wonosari per-Januari 2023 transformator S3437/12 masuk dalam kategori pembebanan tidak seimbang
(unbalanced) dengan nilai yang cukup timpang dimana nilai
ketidakseimbangan mencapai 32%. Transformator tersebut
mensuplai listrik di wilayah Kepek, Kelurahan Logandeng,
Kecamatan Playen. Setelah ditelisir, hal itu disebabkan oleh
kegiatan pasang baru dan penambahan daya pelanggan yang
kurang memperhatikan keseimbangan arus beban pada tiap
phase R, S, dan T tampak pada wilayah Kepek yang
bermunculan perumahan-perumahan baru. Kondisi tersebut
dapat menyebabkan rugi daya karena aliran arus pada
penghantar netral [2]. Dampak lain terhadap transformator
akan menyebabkan kenaikan suhu jika salah satu phase-nya
overcurrent yang akan mempengarui efisiensi, usia pakai dan
kemungkinan terburuk dapat terjadi kegagalan distribusi
listrik ke konsumen [3].
E-ISSN: 2746-2536
Mengacu pada Surat Edaran Direksi PT.PLN (Persero)
Nomor: 0017 E/DIR/2014, nilai ketidakseimbangan beban
yang disarankan adalah < 25%. Jika presentase
ketidakseimbangan melebihi 25 %, maka akan berpengaruh
pada kinerja transformator [4]. Kinerja distribusi listrik dari
sebuah transformator tidak lepas dari komponen proteksi
yang terpasang. Proteksi NH Fuse pada sisi sekunder dan
FCO pada sisi primer bertujuan untuk memutus jalur jika
terjadi aliran arus yang melebihi spesifikasi [5]. Jika nilai arus
pada sebuah phase berpotensi melebihi dari spesifikasi yang
diakibatkan karena ketidakseimbangan pembagian beban,
maka akan menyebabkan trip. Untuk itu diperlukan
pengukuran langsung terkait kondisi aktual transformator S3437/12 apakah dalam kondisi standar ataukah tidak.
Terdapat beberapa penelitian yang sudah membahas
terkait kasus pengaruh ketidakseimbangan beban pada
transformator distribusi. Pada penelitian [6] membahas angka
ketidakseimbangan beban dan nilai losses daya listrik
menggunakan Simulasi ETAP 19.0. Pada penelitian [7]
membahas tentang analisis ketidakseimbangan transformator
distribusi yang berdampak terhadap rugi-rugi listrik akibat
adanya arus yang mengalir pada penghantar netral
2
Jurnal Listrik, Instrumentasi, dan Elektronika Terapan, Vol. X, No. X, April/Oktober 20XX
menggunakan perhitungan matematis. Pada penelitian [8]
membahas analisis berkurangnya kinerja transformator
distribusi akibat adanya arus netral dan menimbulkan adanya
rugi-rugi daya. Berdasarkan penelitian sebelumnya, anomali
ketidakseimbangan beban yang terjadi tidak dikaji secara
komperhensif melalui serangkaian metode serta mengenai
dampak lain yang akan terjadi seperti kaitannya pengaruh
dengan suhu dan komponen proteksi. Mayoritas hanya
membahas rugi daya penghantar pada netral. Selain itu, tidak
disertakan solusi untuk upaya penyeleaian masalah. Maka
dari itu, pada penelitian ini dilakukan pengukuran langsung,
perhitungan matematis, dan simulasi menggunakan software
(ETAP 19.0) untuk memperoleh konklusi penelitian yang
tepat serta solusi dari permasalahan ketidakseimbangan beban
pada transformator S3-437/12.
II. METODOLOGI
Spesifikasi
Daya
Vektor Grup
Vp
Vs
Minyak
Belitan
100 kVA
YNyn0
20 kV
0,4 kV
ONAN
Y-Y
Tabel 2. Data Beban Transformator S3-437/12
Phase
Total
Pelanggan
R
S
T
29
20
32
Total Arus
Kontrak (A)
Total Daya
Kontrak
(VA)
25450
14800
33800
114 A
70 A
152 A
C. Perhitungan Persentase Ketidakseimbangan
Perhtiungan arus rata-rata arus transformator
menggunakan persamaan berikut :
A. Flowchart
IRata-rata =
[9]
(1)
Kemudian dengan mencari koefesien ketidakseimbangan
per-phase nya dengan persmaan berikut:
a
=
(2)
b
=
(3)
c
=
(4)
Untuk mendapatkan persentase ketidakseimbangan
digunakan persamaan berikut:
%k=
|
| |
| |
|
𝑥 100 %
(5)
Dengan,
I
= arus rata-rata pada kondisi seimbang (A)
IR = arus phase R (A)
IS = arus phase S (A)
IT = arus phase T (A)
D. Load Flow Analysis Dengan ETAP 19.0
Gambar 1. Diagram Alir Penelitian
B. Pengambilan Data
Pengambilan data spesifikasi arus, tegangan, faktor daya
pada PHB-TR transformator S3-437.12 dilakukan pada
tanggal 27-29 Juni 2023 menggunakan alat AC Clamp Power
Meter.
Tabel 1. Spesifikasi Transformator S3-437/12
Spesifikasi
Merk
SINTRA
Mengguankan software ETAP 19.0 untuk mengetahui
pengaruh ketidakseimbangan beban terhadapa proteksi yang
terpasang pada transformator S3-437/12. Simulasi dilakukan
dengan membat single line diagram jaringan yang diisikan
parameter-parameter sesuai yang ada di lapangan.
- Bus TM
- Cable TM 3 phase
- FCO
- Trafo 3 phase
- Bus TR
- NH Fuse
- Cable TR
: 20 kV
: SPLN AAAC 150 mm2, 7 km
:5A
: 100 kVA
: 0,4 kV
: 125 A
: AAAC 70 mm2, 0,955 km
E-ISSN: 2746-2536
Jurnal Listrik, Instrumentasi, dan Elektronika Terapan, Vol. X, No. X, April/Oktober 20XX
E. Perhitungan Arus Netral dan Rugi Daya Pada
Penghantar Netral
Arus netral yang muncul karena ketidakseimbangan beban
akan mengakibatkan rugi daya disepanjang penghantar netral
[10]. Rugi ini dapat dihitung menggunakan persamaan [11] :
(cos (θ-120o) +
= IR (cos θ + j sin θ) + IS
j sin (θ-120o)) + IT (cos (θ+120o)
+ j sin (θ+120o))
(6)
PN
= I2N x ρ . L
(7)
Dengan,
PN
IN
ρ
L
Pada keadaan beban seimbang, koefisien dari a, b, dan c
adalah bernilai 1, maka dengan Persamaan presentase
ketidakseimbangan beban pada transformator adalah sebagai
berikut:
%k
IN
= rugi daya pada penghantar netral (Watt)
= arus netral (A)
= tahanan jenis (ohm/km)
= panjang jaringan (km)
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
3
=
|
| ,
| |
| |
| | ,
=
= 29,33%
|
x 100%
| | ,
|
x 100%
Mengacu pada Surat Edaran Direksi PT.PLN (Persero)
Nomor: 0017 E/DIR/2014 seperti pada Tabel 3.12, standar
presentase ketidakseimbangan beban yang disyaratkan adalah
< 25%. Berdasarkan hasil perhitungan di atas, nilai
ketidakseimbangan transformator S3-437/12 termasuk dalam
kriteria buruk.
C. Analisis Pengaruh Terhadap Proteksi Transformator
Menggunakan ETAP 19.0
A. Data Hasil Pengukuran Pada PHB-TR Transformator
S3-437/12
Tabel 3. Data Rata-rata Pengukuran di PHB-TR 27-29 Juni 2023
Phase
I (A)
R
S
T
N
82,9
52,13
106,86
45,04
VL-N
(V)
225,3
224,53
224,4
-
Cos θ
0,911
0,927
0,901
-
B. Analisis Persentase Ketidakseimbangan Transformator
Menggunakan Persamaan 1 diperloeh nilai rata-rata pada
transformator adalah sebagai berikut:
I
=
,
=
= 80,63 A
,
,
Gambar 2. Load Flow Analysis Proteksi Transformator
Dengan menggunakan Persamaan 2–4, nilai koefisien
ketidakseimbangan beban pada masing-masing phase
transformator adalah sebagai berikut:
a
=
=
,
,
= 1,02
b
=
=
,
D. Perhitungan Rugi Daya Arus Netral
,
= 0,64
c
Berdasarkan hasil simulasi load flow menggunakan ETAP
19.0, tidak terdapat eror (tidak berwarna merah) pada proteksi
FCO dengan rating 5 A di sisi primer transformator dan NH
Fuse dengan rating 125 A di sisi sekunder transformator.
Nilai arus yang mengalir masih di bawah rating dari
perangkat proteksi yang ada. Sehingga pengaruh
ketidakseimbangan terhadap proteksi transformator pada
kasus ini masih dalam kondisi aman.
=
=
,
,
= 1,32
E-ISSN: 2746-2536
Netral pada jaringan transformator S3-437/12
menggunakan jenis penghantar AAAC 50 mm2 dengann
tahanan jenis 0,665 Ώ/km dengan panjang 955 m.
Menggunakan Persamaan 6 diperoleh nilai rugi daya sebagai
berikut:
4
Jurnal Listrik, Instrumentasi, dan Elektronika Terapan, Vol. X, No. X, April/Oktober 20XX
= (45,04 A)2 x 0,665 Ω/km x 0,955 km
= 1334,81 Watt
PN
Phase R
Phase S
Phase T
= 82,63 A
= 79,74 A
= 81,18 A
E. Solusi Penyeimbangan Beban
Pada penelitian ini, untuk meminimalisir rugi daya arus
netral akibat ketidakseimbangan beban pada transformator
S3-437/12, penulis memberikan solusi untuk penyeimbangan
beban dengan cara meratakan beban. Penulis menganalisis
data beban pada Tabel 2 untuk mengetahui phase yang
memiliki beban kontrak pelanggan dan arus beban di atas ratarata untuk dipindahkan ke phase yang memiliki beban kontrak
pelanggan dan arus beban di bawah rata-rata. Berikut adalah
analisis beban pada transformator S3-437/12:
Tabel 4. Analisis Data Beban Per-Phase
Phase
R
S
T
Rata-rata
Total Beban
Kontrak
Pelanggan (I)
114 A
70 A
152 A
112 A
Beban
Terukur
(I)
82,9 A
52,13 A
106,86 A
80,63 A
Presentase
I/IFL
72,71 %
74,47 %
70,3 %
72,49 %
F. Analisis Persentase Ketidakseimbangan Beban Trafo S3437/12 Setelah Penyeimbangan
Dengan menggunakan Persamaan 1, besar arus beban
rata-rata pada dari total arus beban setelah penyeimbangan
adalah sebagai berikut:
,
I
=
= 81,18 A
Tabel 5. Pengaturan Penyeimbangan Beban
R
Total Beban
Kontrak
Pelanggan
(I)
114 A
S
70 A
52,13 A
T
152 A
106,86
A
Phase
Ratarata
112 A
Beban
Terukur
(I)
82,9 A
80,63 A
Tindakan
Penyeimban
gan
tidak
diperlukan
memindahk
ah beban
(+40 A) dari
phase T
memindahk
ah beban (40 A) ke
phase S
tidak
diperlukan
Presentase
I/IFL
72,71 %
,
= 1,017
b
=
,
,
= 0,982
=
,
,
=1
Sehingga dengan menggunakan Persamaan 5, persentase
ketidakseimbangan beban pada transformator setelah
penyeimbangan beban adalah sebagai berikut:
| ,
%k =
= 1,16%
| | ,
| |
|
. 100%
Berdasarkan Surat Edaran Direksi PT.PLN (Persero)
Nomor : 0017 E/DIR/2014, nilai ketidakseimbangan beban di
atas termasuk dalam kriteria baik. Berikut adalah grafik
perbandingan sebelum dan sesudah peyeimbangan:
74,47 %
70,3 %
,
Dengan menggunakan Persamaan 2–4, nilai koefisien
ketidakseimbangan beban pada masing-masing phase
transformator S3-437/12 setelah penyeimbangan adalah
sebagai berikut:
,
a
=
c
Berdasarkan data beban pada Tabel 4, total beban kontrak
seluruh pelanggan yang terhubung dengan transformator S3437/12 adalah 336 A. Rata-rata total beban kontrak pelanggan
pada setiap phase agar transformator seimbang adalah 112 A.
Sehingga pengaturan tindakan penyeimbangan beban adalah
sebagai berikut
,
Perbandingan Persentase
Ketidakseimbangan (%)
40%
30%
20%
72,49 %
Setelah penyeimbangan beban, saat waktu beban puncak
(WBP) asumsi pemakaian beban adalah 72,49% dari total
beban kontrak, maka diperoleh arus beban pada tiap phase
adalah sebagai berikut:
10%
0%
Sebelum
Penyeimbangan
Setelah Penyeimbangan
% Ketidakseimbangan
Gambar 3. Grafik Perbandingan Persentase Ketidakseimbangan
E-ISSN: 2746-2536
Jurnal Listrik, Instrumentasi, dan Elektronika Terapan, Vol. X, No. X, April/Oktober 20XX
terukur setelah dilakukan simulasi dan perhitungan
menghasilkan arus netral 3,507 A turun 92,2% serta rugi
daya penghantar sebesar 8,24 Watt atau turun 99,38%
dibandingkan kondisi sebelum penyeimbangan beban.
Presentase ketidakseimbangan beban transformator juga
turun menjadi 1,16% sesuai dengan Surat Edaran Direksi
PT.PLN (Persero) Nomor: 0017 E/DIR/2014, yaitu
kurang dari 25%.
G. Perhitungan Arus Netral Sesudah Penyeimbangan
Pada kondisi pebebanan transformator yang tidak
seimbang (unbalanced), maka akan terdapat arus yang
mengalir pada netral. Pada transformator dengan beban
seimbang netral bernilai 0 [12]. Untuk menghitung nilai arus
yang mengalir pada netral digunakan Persamaan 3.12
IN
=
=
=
=
82,63 A (cos 24,356o + j sin 24,356o) + 79,74 A (cos
(22,028o -120o) + j sin (22,028o - 120o)) + 81,18 A (cos
(25,71o + 120o) + j sin (25,71o + 120o))
82,63 A (cos 24,356o + j sin 24,356o) + 79,74 A (cos (97,972o) + j sin (-97,972o)) + 81,18 A (cos (145,71o) +
j sin (145,71o))
(75,275 + j 34,077) + (-11,059 + j -78,969) + (-67,07 +
j 45,735)
-3,385 + j 0,843 A
V. UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih kepada rekan-rekan tim teknik PT PLN ULP
Wonosari yang telah mengizinkan dan mendukung penulis
dalam melakukan penelitian ini. Serta Terima kasih kepada
bapak Yuris Mulya Saputra, S.T., M.Sc., Ph.D. selaku dosen
pembimbing yang telah membimbing, memberikan saran, dan
masukan hingga selesai penelitian.
Dari bilangan kompleks diatas didapatkan hasil untuk
nilai absolut arus netral sebagai berikut:
IN
=
3,385
= 3,507 A
0,843 A
PN
DAFTAR PUSTAKA
[1]
Dengan demikian, arus yang mengalir pada penghantar
netral dengan nilai resistansi (RN) adalah 0,671 Ω, besar rugi
daya yang ditimbulkan setelah penyeimbangan adalah sebagai
berikut:
[2]
[3]
= I2N . RN
= (3,507 A)2 x 0,658 Ω
= 8,24 Watt
[4]
Setelah dilakukan pernyeimbangan beban, didapatkan
perubahan pada besar arus netral dan rugi daya penghantar
netral. Berikut adalah tabel perbandingan sebelum dan
sesudah penyeimbangan beban:
[5]
Tabel 6 Perbandingan Rugi Daya.
[6]
Perba
ndinga
n
IN
PN
Sebelum
Penyeimbangan
Beban
Setelah
Penyeimbangan
Beban
Presentae
Penurunan
45,04 A
1334,81 Watt
3,507 A
8,24 Watt
92,2 %
99,38 %
IV. SIMPULAN
1. Pada kondisi pembebanan 55,85% dengan rata-rata nilai
arus phase terbesar yang mengalir sebesar 106,86 A,
perangkat proteksi FCO dan NH Fuse yang terpasang pada
transformator 3 phase S3-437/12 masih dalam kondisi
aman (di bawah rating). Suhu kerja transformator yang
terukur juga berada dalam kriteria aman yaitu dibawah 40o
C sesuai SPLN D3.002-1 tahun 2007.
2. Ketidakseimbangan beban pada transformator 3 phase S3437/12 menyebabkan timbulnya arus netral sebesar 45,04
A. Arus netral mengakibatkan rugi daya penghantar netral
sebesar 1334,81 Watt.
3. Solusi penyeimbangan dari total beban yang terhubung
pada transformator S3-437/12 ke phase R, S, dan T secara
E-ISSN: 2746-2536
5
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
R. Berlianti, R. Fauzi, and M. Monice. (2021). “Analisis Penerapan
Tindakan Pemeliharaan Sistem Distribusi 20 kV Dalam
Pengoptimalan ENS dan FGTM”, SainETIn, vol. 5, no. 2, pp. 4450, Jun. 2021.
Sari K, Ayu G and, Supardi A. (2018). Analisa Pengaruh
Ketidakseimbangan Beban Terhadap Arus Netral Dan Losses Pada
Trafo Distribusi Studi Kasus Pada PT. PLN (Persero) Rayon Blora.
Diploma thesis, Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Jayabadi, D. S. W., Winardi, B., & Facta, M. (2019). Analisis
Ketidakseimbangan Beban Trafo 1 Gi Srondol Terhadap RugiRugi Akibat Arus Netral Dan Suhu Trafo Menggunakan Etap 12.6.
0. Transient: Jurnal Ilmiah Teknik Elektro, 5(4), 425–431.
Fahrezi, I. A. (2022). Pengaruh Pertambahan Beban Jangka
Panjang Terhadap Penyettingan Fuse Cut Out dan Nieder
Spannung Hoch Leistung Fuse (Studi Kasus GD-200 Kota
Payakumbuh) (Doctoral dissertation, Universitas Islam Negeri
Sultan Syarif Kasim Riau). In
Atmaja, P. W. (2023). Prototype Sistem Pendeteksi Arus Netral
Dan Proteksi Terhadap Pembebanan Lebih Pada Panel Hubung
Bagi Tegangan Rendah Berbasis Iot (Internet of Things) (Doctoral
dissertation, Universitas Diponegoro).
Fawwas, J. F., Abduh, S., & Sari, T. K. (2022). Analisis
Penyeimbangan Beban Transformator Distribusi 400kva
20kv/400v Menggunakan Software ETAP 19.0. 1. Jetri: Jurnal
Ilmiah Teknik Elektro, 223-236.
Muhammad, A., Tumaliang, H., & Silimang, S. (2019). Analisa
Rugi-Rugi Energi Listrik Pada Jaringan Distribusi (JTM) Di PT.
PLN (Persero) Area Gorontalo. Jurnal Teknik Elektro Dan
Komputer, 7(3), 295–302.
Sampe, A. (2022). Analisis Rugi-Rugi Daya Akibat
Ketidakseimbangan Beban Pada Transformator Distribusi 20
Kv/380 V Di Penyulang Dpr Kota. Jurnal Sains dan Teknologi,
1(2), 106-123.
Chapman Stephen J., 1999, Electric Machinery Fundamentals,
Third Edition Mc Graw Hill Companies, New York
Saraswati, N. M. O. R., Wardana, A. I., Mortalem, E., Dzikurllah,
M. I., Wiyuda, F., Pambudi, W. S., ... & Anggoro, A. (2023, April).
Analisa Rugi–Rugi Daya Pada Penghantar Netral Akibat Sistem
Tidak Seimbang dan Efisiensi Transformator Distribusi Rayon
Ngagel. In Prosiding Seminar Nasional Teknik Elektro, Sistem
Informasi, dan Teknik Informatika (SNESTIK) (Vol. 1, No. 1, pp.
121-128).
T.A. Short. (2004). Electric Power Distribution Hanbook. CRC
Press LLC. New York. 432-433.
Coltman, J. W. (1988). The Transformer. Scientific American,
258(1), 86–95.