## Studi Kelayakan Pengoperasian Lanjut Transformator Daya Berdasarkan Sisa Umur Isolasi Menggunakan
Pendekatan Arrhenius
1 M. Ikhsan, 2 Tarmizi
1 Program Studi Pendidikan Teknik Elektro Universitas Islam Negeri Ar-Raniry
2 Program Studi Teknik Elektro Universitas Syiah Kuala
1 m.ikhsan@ar-raniry.ac.id

## Abstrak
Peralatan  sistem  tenaga  seperti  transformator  daya  memiliki  umur  desain  yang  ditentukan  oleh oleh  perusahaan  manufaktur  sehingga  dapat  beroperasi  dalam  kurun  waktu  tertentu.  Namun  sejalan dengan  pemakaiannya  dilapangan,  umur  transformator  daya  tersebut  dapat  berkurang  atau  bertambah dari  umur  desainnya.  Paper  ini  mempaparkan  perhitungan  sisa  umur  transformator  tua  (aging) menggunakan  pendekatan  Arrhenius  yang  didasari  oleh  temperatur  saat  pemeriksaan  lapangan  dari beberapa  kali  inspeksi  pada  tahun  1982,  2013,  dan  2014.  Transformator  yang  diukur  dalam  studi  ini memiliki  rating  30  MVA  dan  digunakan  pada  lingkungan  kilang  gas  alam  cair.  Berdasarkan  perhitungan yang telah dilakukan, diketahui bahwa transformator tersebut masih layak untuk dioperasikan hingga 17,8 tahun  lagi  dengan  mengikuti  syarat  dan  ketentuan  yang  berlaku.  Sebagai  pendukung  keputusan, pemeriksaan eksternal secara visual dan pengukuran earth grounding juga dilakukan.
Kata kunci: Sel transformator daya, umur, Arrhenius, standar IEC, temperatur.

## Abstract
Power  system  equipment  such  as  power  transformers  are  designed  by  the  manufacturer  to  be able  operate  until  a  certain  age.  However,  due  to  its operation  pattern,  this  age  can  be  extended.  The study  describes  calculation  of  remaining  life  of  aging  power  transformer  using  Arrhenius  approach.    The assessment is based on top-oil temperature which gathered in field inspections on 1982, 2013, and 2014. The transformer on this study had rating of 30 MVA which operate at LNG refinery environment. From the assessment, it is known that the transformer is still suitable for operation up to 17.8 years with terms and conditions apply. External visual inspection and measurement of earth grounding is also done.

## Keywords
: power transformer, age, Arrhenius, IEC standard, temperature.

## 1. Pendahuluan
Peralatan  sistem  tenaga  seperti  transformator  daya  didesain  untuk  dapat  beroperasi dalam kurun waktu tertentu, namun umur peralatan ini pada dasarnya dapat melebihi dari umur desain  yang  diberikan  oleh  manufaktur  [1].  Beberapa  faktor  yang  dapat  mempengaruhi  umur transformator adalah pola pengoperasiannya dilapangan serta sistem proteksi yang handal [2]. Artikel  ini memaparkan  metode  perhitungan  sisa  umur  dari  peralatan  transformator  daya menggunakan  data  temperatur.  Transformator  ini  berada  pada  kawasan  kilang  gas  alam  dan telah  melewati  umur  desainnya  yaitu  30  tahun.  Perhitungan  sisa  umur  dilakukan  berdasarkan data inspeksi  yang  pernah  dilakukan  sepanjang  pengoperasian  transformator  daya  ini. Temperatur  permukaan,  rasio  pembebanan  dan  beberapa  parameter  lain  menjadi  input  fungsi Arrhenius sehingga faktor penuaan dapat diketahui dan sisa umur dapat diprediksi.

## 2.  Metodologi
Perhitungan  sisa  umur transformator  daya umumnya  dilakukan  dengan  menggunakan data berikut [3]:
a. Data  elektris  yang  terdiri  dari  tahanan  isolasi  (R 60 ,  indeks  polarisasi/PI,  absortance indeks/K a dan tangen delta), arus bocor dan faktor disipasi.
b. Data  pengetesan  minyak  yaitu  terdiri  dari  Dissolved  Gas  Analysis  /DGA (H2,  CH4, C2H6, C2H4, C2H2), komposisi air ( water content ), furan analysis dan Oil Quality.
c. Data respon dielektrik dan derajat polimerisasi yakni arus polarisasi, arus depolarisasi, serta frequency domain spectroscopy .
d. Data  temperatur hospot minyak    transformator  dalam  derajat  celsius  yang  dihasilkan oleh belitan transformator
Namun  karena  kendala  di  lapangan,  data  elektris,  data  pengetesan  minyak,  dan  data respon dielektrik tidak bisa didapatkan. Data ini hanya bisa diukur apabila transformator berada dalam keadaan mati.  Maka  dari  itu  perhitungan  sisa  umur  transformator  dalam studi ini  hanya dapat  diperkirakan  berdasarkan  data  temperatur hospot minyak  transformator daya yang diakibatkan  oleh  belitan primer  dan  sekunder.  Standar  IEC  60076-7  tahun  2005  menyatakan bahwa,  masa  pakai  transformator  akan  menurun  seiring  pemakaiannya,  dan  tingkat  penuaan transformator sangat bergantung terhadap temperatur hotspot [4, 5]. Standar IEC 60076-7 dan IEEE C57.91-1995 juga menyebutkan bahwa disorientasi isolasi dapat dituliskan sebagai fungsi waktu  dan  temperatur  yang  memenuhi  persamaan  reaksi  Arrhenius [6],  secara  matematis persamaan ini dapat dituliskan seperti (1):
(1)
Dimana  θ H merupakan  temperatur  pada  titik  terpanas/ hotspot dalam  satuan O C  yang secara  teoritis berada  pada  belitan.  Temperatur hotspot dapat  diukur  secara  langsung menggunakan  termometer  khusus. Jika  tidak  memungkinkan  untuk  diukur  secara  langsung maka dapat diketahui secara tidak langsung menggunakan persamaan emipris (2):
(2)
Dimana t adalah  temperatur  permukaan  minyak  ( top-oil  temperature ).  F AA seperti ditunjukkan  (1)  dapat  digunakan  untuk  mengetahui  kecepatan  penuaan  transformator.  Untuk mengetahui prakiraan sisa umur dari suatu transformator, maka perlu dipahami terlebih dahulu mengenai normal insulation life isolasi sesuai standar IEC 60076-7 maupun IEEE C57.91-1995 seperti terlihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Umur isolasi transformator normal
Basis Normal insulation life Jam Tahun 50% retained tensile strength of insulation 65.000 7,42 25% retained tensile strength of insulation 135.000 15,41 200 retained degree of polymerization in insulation 150.000 17,12 Interpretation of distribution transformer functional life test data 180.000 20,55
Dari  nilai  temperatur top-oil temperature maka  perhitungan  prakiraan  sisa  umur  dari transformator dapat dilakukan dengan menggunakan persaman (3):
Dimana life norm adalah umur normal isolasi dan life act adalah umur aktual isolasi sebagai fungsi F AA ,  temperatur top-oil θ h ,  dan  rasio  beban  transformator.  Nilai life norm dari  isolasi transformator  dapat  disesuaikan  dengan  tabel  1.  Sebagai  bahan  pertimbangan  lanjut  maka grounding transgormator juga diukur sesuai standar ANSI/IEEE 81-1983.

## 3.  Spesifikasi Transformator Daya
Perhitungan sisa umur yang dilakukan pada studi ini diberlakukan kepada transformator daya yang digunakan pada kilang LNG seperti terlihat pada gambar 1.
Gambar 1. Transformator daya yang diukur
Adapun spesifikasi transformator tersebut adalah sebagai berikut:
 Pabrik Pembuat
: Hitachi Ltd.
 Tahun Pembuatan : 1976
 Tahun Pemakaian : 1976  Rating daya : 30 MVA  Rasio tegangan : 34,5 kV  / 11,5 kV step-down
 Koneksi : Delta-Wye  Fasa : 3
 Frekuensi kerja : 50 Hz  Grup vector : Dyn 11  Efisiensi : 99,07% (F.L 100%); 99,22% (F.L 75%); 99,33% (F.L 50%)  Faktor Daya (PF) : 0,8
 Inrush current
: 800-1000% ,kurang dari 1 detik
 Resistansi per fasa : H.V 0,75 Ω; L.V 0,0035 Ω

## 4. Data Desain, Operasi, Inspeksi, dan Perawatan Transformator Daya
Transformator  daya  yang  diukur  pada studi ini  mulai  dioperasikan  pada  tahun  1976. Berdasarkan  riwayat  operasinya  pada  tahun  1982, Hitachi  Ltd.  selaku  pabrik  pembuat transformator daya tersebut telah melakukan inspeksi dan pengujian dengan hasil layak operasi [7]. Transformator  daya  yang  digunakan  sebelumnya  juga  tercatat  pernah  dilakukan  inspeksi dan pengujian oleh perusahaan rekanan yang ditunjuk pada tahun 2010 dan 2013 dengan hasil dinyatakan  layak  dan  memenuhi  persyaratan  keamanan  dan  keselamatan  kerja.  Data  operasi selama  Junuari  2014  sampai  September  2014 transformator  daya  diopersikan dengan kapasitas  beban  rata-rata  15.19  MVA (  faktor  pembebanan 0,86  )  seperti  ditunjukan  pada Gambar 2.
0 5 10 15 20 25 30 35 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Ka pa sit as (MV A) Bulan Rating Aktual
Gambar 2. Kapasitas beban transformator daya berdasarkan kondisi operasi
Parameter kelistrikan  yang  terdiri  dari  kapasitas  (MW),  faktor  daya  (cos  )  dan temperatur top-oil untuk  data  desain,  inspeksi  tahun  1982  ,  inspeksi  tahun  2013,  dan  data operasi 2014 ditunjukan seperti pada gambar 3.
80 63.75 43 40.89 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Te m pe ra tu r ( Ce lsi us ) Temperatur desain Top oil inspeksi 1982 Top-oil inspeksi 2013 Top-oil data operasi 30 29 24 15.19 0 5 10 15 20 25 30 35 Ka pa sit as (M VA ) Kapasitas desain Beban terpasang inspeksi 1982 Beban terpasang inspeksi 2013 Beban terpasang data operasi 0.8 0.8 0.79 0.86 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Fa kt or D ay a Faktor daya desain
Faktor daya inspeksi 1982 Faktor daya inspeksi 2013 Faktor daya data operasi (a) (b) (c)
Gambar 3. Data desain, inspeksi tahun 1982, inspeksi tahun 2013, dan data operasi 2014 (a) temperatur (b) Kapasitas (c) faktor daya.

## 5. Hasil dan Analisis
a. Pengukuran nilai grounding
Sesuai  hasil  inspeksi  lapangan, transformator  daya ini memiliki  nilai  seperti  tertera pada Tabel 3:
Tabel 3. Hasil Inspeksi Transformator Daya Parameter Nilai Umur 38 tahun Rating 30 MVA Rata-rata temperatur top-oil 41.66 O C Rata-rata rasio pembebanan 0.589 Cos Pi 0.858 Grounding
 Terpasang titik a 1.49 Ω titik b 1.50 Ω titik c 1.53 Ω  Terlepas titik a 1.39 Ω titik b 1.41 Ω titik c 1.41 Ω
Standar  ANSI/IEEE  Std  81-1983  menyatakan bahwa  nilai resistansi grounding yang diperbolehkan  adalah maksimum  5  [8]. Pengukuran Grounding dengan Digital  Earth Tester pada transformantor  daya menunjukkan  nilai  resistan  rata-rata 1.455  , jauh  dibawah  nilai aman  maksimum yang  direkomendasikan. Dengan  demikian,  berdasarkan  nilai grounding -nya transformator daya yang diukur masih berada dalam kategori aman.

## b. Perhitungan Remaining Life
Berdasarkan  data  inspeksi  temperatur top-oil ,  maka  temperatur hotspot θ H dapat  dihitung dengan (4):
(4)
Dimana pembebanan transformator K merupakan rasio kapasitas beban terhadap kapasitas rating seperti ditunjukkan (5):
(5)
Hg r dan y merupakan konstanta yang masing-masingnya bernilai 23 dan 1.6. Maka, temperatur hot-spot adalah seperti ditunjukkan (6).
(6)
Sesuai dengan temperatur hotspot maka faktor penuaan dapat dihitung seperti persamaan (7).
(7)
Dengan  menggunakan  basis  umur  180.000  jam  sesuai  Tabel  1  dan  rasio  pembeban  0.589, maka  perkiraan sisa  umur  (remaining  life assessment) transformator  dapat  dihitung menggunakan (8).
(8)
Jika life act dibagi menjadi tiga periode waktu, maka,
(9)
Atau dalam bentuk diskrit dapat dituliskan seperti (10),
(10)
Dimana: a : tahun 1976
b : tahun 2012 akhir
c : tahun 2013 awal
d : tahun 2013 akhir
e
: tahun 2014 awal
f : tahun 2014 hingga November
life act1 : umur habis transformator terhitung dari tahun 1976-2012 akhir life act2 : umur habis transformator terhitung dari tahun 2013 awal -2013 akhir life act3 : umur habis transformator terhitung dari tahun 2014 awal -2014 November t n : interval waktu
maka,
(11)
Dengan  demikian  sisa  umur  dari transformator  daya yang  diukur diperkirakan  masih berumur  17.8  tahun  lagi.  Bila  kapasitas  beban    bertambah,  rasio  pembebanan  ( k )  dan temperatur top-oil akan meningkat dan umur transformator akan lebih berkurang dari yang telah diprediksi,  hal  ini  terlihat  seperti  pada Gambar  4.  Titik  segitiga merupakan  sisa  umur transformator berdasarkan data inspeksi lapangan Oktober 2014.
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 0.00 0.20 0.30 0.40 0.49 0.50 0.59 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 Si sa U mu r ( Ta hu n)

## Rasio Pembebanan
Gambar 4. Penurunan sisa umur transformator daya akibat peningkatan rasio beban

## c. Rekomendasi
Berdasarkan  hasil  inspeksi  visual  di  lapangan  ditemukan  beberapa  hal yang  perlu mendapatkan  perhatian seperti kaca liquid  level  meter dan thermometer yang  buram  ( cloudy ) seperti  terlihat  pada  Gambar 5, Tag  number yang  terhapus  dari  transformator, karatan  pada badan  transformator, tumbuhan  liar  yang  menutupi  transformator,  serta bonding pentanahan yang  tertimbun  tanah.  Untuk  mendukung  operasi  transformator  yang  akan  bekerja  17.8  tahun lagi maka beberapa tindakan yang perlu dilakukan diantaranya adalah:
 Penggantian gasket dan kaca thermometer.
 Memperjelas tag number pada casing transformator.
 Cat ulang casing transformator dan pembersihan bonding pentanahan  dari  tanah agar laju korosi tidak cepat
 Pembersihan tumbuhan liar dari lingkungan transformator secara berkala.
 Evaluasi dan inspeksi ulang transformator dalam periode 3-5 tahun.
Gambar 5. Gasket dan kaca indikator temperatur yang sudah buram.

## 6. Kesimpulan
Studi ini ditujukan untuk mengetahui sisa umur transformator daya yang telah melewati umur  desainnya.  Perhitungan  dilakukan  berdasarkan  data  pengukuran  langsung temperatur top-oil di  lapangan, serta  mengacu kepada standar  IEC  60076-7  tahun  2005. Dari  studi  ini dapat  disimpulkan  bahwa faktor penuaan (F AA ) transformator  adalah  0.00086,  dan umur  sisa peralatan  adalah  17.8 tahun. Peralatan transformator  daya ini masih  layak dan  aman untuk digunakan  sejauh  penggunaan  dilapangan  sesuai  dengan  asumsi  yang  digunakan pada  studi ini.  Namun  demikian,  evaluasi  dan  inspeksi  ulang  perlu  dilakukan dalam  periode  3-5  tahun mengingat  kondisi  peralatan  dapat  berubah  karena  perubahan  kondisi  operasi  dan  kondisi perawatan.

## 7. Penghargaan
Penulis ingin berterima kasih kepada PT Perta Arun Gas yang telah mendanai studi ini pada tahun 2014

## Referensi
[1] Arshad,  Muhammad;  Islam,  Syed  M.;  Khaliq,  Abdul.  Power  transformer  aging  and  life  extension. In: Probabilistic  Methods  Applied  to  Power  Systems,  2004  International  Conference  on .  IEEE, 2004. p. 498-501.
[2] Setayeshmehr, Alireza, et al. A procedure for diagnosis and condition based maintenance for power transformers.  In: Electrical  Insulation,  2004.  Conference  Record  of  the  2004  IEEE  International Symposium on . IEEE, 2004. p. 504-507.
[3] Yuan  Li;  Ming-jie  Tang;  Jun-Bo  Deng; Guan-jun  Zhang;  Shu-hong  Wang,  "An  approach  to  aging assessment  of  power  transformer  based  on  multi-parameters,"  Condition  Monitoring  and Diagnosis (CMD), 2012 International Conference on , vol., no., pp.357,360, 23-27 Sept. 2012
[4] IEC  std  60076-7, Loading Guide for  Oil-Immersed  Power Transformer.
[5] SUSA, D.; NORDMAN, H. IEC 60076–7 loading guide thermal model constants estimation. International Transactions on Electrical Energy Systems , 2013, 23.7: 946-960.
[6] IEEE std C57.91-1995, IEEE Guide for Loading Mineral-Oil-Immersed Transformer.
[7] Sertifikat inspeksi PT Arun NGL No. F3100-a-82001 tanggal 20 Agustus 1982.
[8] ANSI/IEEE Std 81-1983, IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Grounding System