Jurnal Terapan Teknik Mesin, Vol.1, No. 1,  April  2020, 32 – 40
JTTM: Jurnal Terapan Teknik Mesin is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Analisa Stray Losses Pada Struktur Transformator Daya Satu Fasa 275 kV 83.3 MVA - Asep Saepudin , Asep Dharmanto

## Analisa Stray Losses Pada Struktur Transformator Daya Satu Fasa 275 kV 83.3 MVA
Asep Saepudin 1* Asep Dharmanto 2
1,2 Program Studi Teknik Mesin Sekolah Tinggi Teknologi Muhammadiyah Cileungsi Jl. Anggrek No.25 Perum PTSC CIleungsi, Bogor, Jawa Barat *E-mail: asep.saepudin@sttmcileungsi.com, asep.dharmanto@stttmcileungsi.ac.id
Abstrak. Trafo yang bagus dihargai jika memiliki efisiensi di atas 99%. Umumnya kerugian terjadi pada semua  transformator  dalam  tiga  atau  satu  fasa.  Kehilangan  nyasar  dihasilkan  oleh  kehilangan  arus eddy pada bagian konstruksi transformator fasa tunggal, seperti tangki utama, penutup, klem inti dan pelat flitch. Masalahnya adalah bahwa kerugian Tersesat yang terjadi tidak dapat langsung mengukur tanpa  alat  yang  tepat  dan  hanya  dihitung.  Penelitian  ini  adalah  untuk  melihat  hasil  deviasi  dalam kerugian menyimpang, antara perhitungan dan pengukuran dan vs simulasi. Sehingga kerugian nyasar yang  lebih  akurat  dihasilkan  di  bagian  konstruksi  transformator  fasa  tunggal  dapat  dicapai.  Dalam penelitian ini menggunakan Metode Elemen Hingga 3D dengan perangkat lunak ANSYS berbasis di bagian konstruksi transformator fasa tunggal dan membandingkan hasil kerugian nyasar dengan versi yang dihitung dan diukur. Kehilangan nyasar di bagian konstruksi transformator fasa tunggal, sehingga tidak memiliki kerugian nyasar yang sederhana dibagi 3 dibandingkan dengan transformator tiga fasa dengan daya dan tegangan yang sama. Berdasarkan penelitian ini total kerugian nyasar sekitar 30% - 37% dari Kerugian Beban dan meningkat sekitar 9% dibandingkan antara perhitungan yang ada dan studi simulasi ini versus pengukuran.
Kata kunci: Kerugian Arus eddy, Flitch Plate, Metode Elemen Hingga 3D.
Abstract. A good transformer is valued if having efficiency above 99%. Generally losses occur to all transformer in either three or one phases. Stray losses are generated by eddy current losses in the single phase transformer construction parts, such as main tank, cover, core clamp and flitch plate. The problem is that a stray losses that occur can’t directly measure without proper tools and only calculated. This study is to see the deviation result in stray losses, between calculation vs measurement and vs simulation.  So  that  a  more  accurate  stray  losses  being  generated  in  the  single  phase  transformer construction parts can be achieved. In this study using 3D Finite Element Method with basis software ANSYS in the single phase transformer construction parts and compared the result of stray losses to the calculated & measuring version. The stray losses in the single phase transformer construction parts, so that it hasn’t a simple stray losses divided by 3 compared to three phase transformers with same power and voltage. Based on this study the total stray losses around 30%-37% from Load Losses and improve  approximately  9%  compared  between  existing  calculation  and  this  simulation  study  versus measurement.
Keywords: Stray losses, eddy current losses, 3D Finite Element Methode .

## 1. PENDAHULUAN
Transformator adalah peralatan terpenting dalam sistem kelistrikan, ada spesifikasi dan garansi yang  harus  dipenuhi,  karena  ada  konsekuensi  pinalti  yang  harus  diperhatikan  oleh  pabrikan transformator di dalam membuat produk, sering terjadi garansi terlewati dari yang disepakati dan menyebabkan  transformator  kurang  kompetitif  yang  disebabkan  didalam  proses  perhitungan sering menggunakan data transformator tiga fasa, kemudian secara sederhana dibagi tiga untuk menghitung kerugian [1] tambahan transformator satu fasa dan secara aktual ketika dilakukan pengukuran  kerugian  [2]  berbeban  pada  transformator  daya  satu  fasa  tidak  bisa  sederhana, hanya dengan dibagi tiga fasa saja dan terbukti ada perbedaan yang besar antara pengukuran dan perhitungan kerugian  [2] berbeban yang didalamnya termasuk kerugian tambahan ( stray
Jurnal Terapan Teknik Mesin, Vol.1, No. 1,  April  2020, 32 – 40
JTTM: Jurnal Terapan Teknik Mesin is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Analisa Stray Losses Pada Struktur Transformator Daya Satu Fasa 275 kV 83.3 MVA - Asep Saepudin , Asep Dharmanto
losses ) yang terjadi pada struktur transformator.
Transformator  adalah  peralatan  listrik  yang  dinilai  mempunyai  efisiensi  yang  sangat  baik diatas 99% [3]. Secara garis besar kerugian yang terjadi pada semua transformator daya baik tiga fasa maupun satu fasa. Ada dua rugi tanpa beban (inti) dan rugi berbeban (belitan) , dimana pada kerugian inti ada rugi histerisis dan rugi arus eddy, sedangkan pada kerugian tembaga terdapat  rugi  tembaga  (I 2 R)  dan  rugi  tambahan  ( stray  losses )  akibat  adanya  arus  eddy  yang menyebabkan flux bocor dan mengenai struktur rangka, cover, flitch plate dan core clamp dan belitan itu sendiri menyebabkan kerugian tambahan  [4].
Predictive flux bocor dan simulasi kerugian tambahan pada struktur transformator sangat diperlukan  untuk  mendapatkan  nilai  kerugian  tambahan  yang  lebih  [3],  mendapatkan  nilai kerugian tambahan yang mendekati pengukuran, mengetahui karakteristik kerugian tambahan pada struktur transformator dengan menggunakan 3D Finite Element Method [2] dengan basis software ANSYS, hingga mendapatkan transformator yang kompetitif dan memenuhi spesifikasi.

## 1.1 MODEL TRANSFORMATOR
Pada penelitian ini menggunakan transformator daya satu fasa 275 kV 83.3 MVA dengan tipe inti dan mempunyai tiga kaki inti, dimana semua belitan transformator berada pada inti tengah, baik belitan HV, FR, LV dan TV. Dimana pada penelitian ini membahas analisa kerugian [5] tambahan pada struktur transformator, yaitu: tangki, flitch plate , core clamp [6].
Gambar 1. Model transformator daya satu fasa.
Proses  analisa  dibatas  pada  tangki  trafo, core  clamp , flitch  plate ,  pada  gambar  2.  Inti, winding , core clamp ( clamping yoke) transformator.
Jurnal Terapan Teknik Mesin, Vol.1, No. 1,  April  2020, 32 – 40
JTTM: Jurnal Terapan Teknik Mesin is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Analisa Stray Losses Pada Struktur Transformator Daya Satu Fasa 275 kV 83.3 MVA - Asep Saepudin , Asep Dharmanto
Gambar 2 . Bentuk belitan transformer.
2. METODE.
Dengan  menggunakan  persamaan  maxwell,  persamaan  ini  menjadi  pasti,  ketika  hubungan antara jumlah kuat medan magnet dan kerapatan flux magnet [1] diketahui:
D = 𝜀𝜀 0 E (1)
B = 𝜇 𝑟 𝜇 0 H (2)
J = 𝜎𝐸 (Hukum Ohm) (3)
Dimana :
ε : Relative permittivity
μ r : Relative permeability magnet, struktur 200
σ : Konduktivitas elektrik (S/m), 6.5x10 6 B
: Kerapatan flux magnet (Wb/ m2 = Tesla)
μ 0
: Permeabilitas vacum, 4 πx10 −7 H/m atau Wb/ (Axm) E
: Intensitas area magnet listrik (V/m) D : Kerapatan flux listrik (C/m2) J : Kerapatan muatan listrik (A/m2) H
: Intensitas area magnet (A/m)
Perhitungan arus eddy didahului dengan analisis yang akurat pada stray losses di bagian struktur. Transformator, pada core clamp, flitch plate, cover , dan tangki transformator daya. Karena  transformator  daya  dioperasikan  pada  rentang  frekuensi  rendah,  arus  perpindahan tidak  dianggap.  Ketika  arus  AC  mengalir  dalam  belitan  transformator,  persamaan  yang digunakan untuk memecahkan masalah elektromagnetik akibat arus eddy dinyatakan sebagai berikut:
∇ x 1 μ (∆ x A)=J s -σ ∂A ∂t (4)
Jurnal Terapan Teknik Mesin, Vol.1, No. 1,  April  2020, 32 – 40
JTTM: Jurnal Terapan Teknik Mesin is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Analisa Stray Losses Pada Struktur Transformator Daya Satu Fasa 275 kV 83.3 MVA - Asep Saepudin , Asep Dharmanto
Dimana: A
: Potensial vektor magnetik. μ : Permeability.
J s : Kerapatan arus pada belitan.
2.1. Kedalam kulit ( skin depth ).
Efek kulit adalah efek yang disebabkan mengalirnya arus pada saat frekuensi tertentu pada permukaan  konduktor  dengan  kata  lain  induksi  arus  medan  magnet  yang  memungkinkan menembus konduktor untuk kedalaman tertentu. Efek ini diperlukan untuk menghitung arus eddy  di  struktur  trafo.  Dalam  penerapan finite  element  method ,  ke  dalam  kulit  ( skin  depth) diperhitungkan. Kepadatan arus dan kedalam kulit ( skin depth) yang mempertimbangkan efek kulit dapat dinyatakan sebagai berikut:
J = J 0 e d δ (5)
δ =   √ 2 𝜔𝜎𝜇 = √ 2 𝜔𝜎𝜇 0 𝜇 𝑟 (6)
Dimana: δ : Skin depth (meter). ω : Frekuensi sudut, 2 𝜋𝑓 (rad/s). d : Jarak (meter).
Kerugian  pada  bagian core  clamp, flitch  plate dan  tangki transformator daya akibat arus eddy. Kerugian ini disebut kerugian tambahan ( stray losses ) dan besarnya diatur oleh stray flux (flux liar), frekuensi, konduktivitas dan permeabilitas material. Efek kulit hanya 2 mm dari 10 mm tebal struktur atau seperlima (0.2) dari tebal plate struktur trafo, maka kuantitas stray losses dinyatakan sebagai berikut:
P =   √ ωμ 8σ H tm 2 (7)
Dimana:
P
: Eddy losses (watt)
H tm : Nilai maksimum Intensitas medan magnet (A/m).
Analisa  metoda  elemen  hingga  3D  [2]  diperlukan  untuk  menyelesaikan  persamaan differensial diatas.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Sebelum melakukan simulasi perlu membuat moden dan model bisa dibuat secara langsung pada software  ansys atau  dapat  mengambil  dari  software  lain  [7],  untuk  menunjang perhitungan tersebut menggunakan data solidworks , parameter yang dibutuhkan dimasukan seperti:
1. Arus pada lilitan primer.
2. Arus pada lilitan sekunder.
3. Properti material ( Relative Permeability, Conductivity )
Jurnal Terapan Teknik Mesin, Vol.1, No. 1,  April  2020, 32 – 40
JTTM: Jurnal Terapan Teknik Mesin is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Analisa Stray Losses Pada Struktur Transformator Daya Satu Fasa 275 kV 83.3 MVA - Asep Saepudin , Asep Dharmanto
Gambar 3. Model dari Solidwork.
Gambar  4  tampilan  simulasi  intensitas  medan  magnet  (H),  memperapat  flux  magnet  (B) agar mendapatkan stray losses pada struktur trafo.
Gambar 4 . Tampilan simulasi (H) intensitas medan magnet (A/m) pada tangki.
Gambar 5 . Tampilan simulasi (H) intensitas medan magnet (A/m) pada Cover.
Jurnal Terapan Teknik Mesin, Vol.1, No. 1,  April  2020, 32 – 40
JTTM: Jurnal Terapan Teknik Mesin is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Analisa Stray Losses Pada Struktur Transformator Daya Satu Fasa 275 kV 83.3 MVA - Asep Saepudin , Asep Dharmanto
Gambar 6 . Tampilan simulasi (H) intensitas medan magnet (A/m) pada core clamp.
Gambar 7 . Tampilan simulasi (H) intensitas medan magnet (A/m) pada f litch plate .
Gambar 8. Tampilan simulasi  (B) kerapatan flux magnet (Wb/ m2 = Tesla) pada tangki.
Jurnal Terapan Teknik Mesin, Vol.1, No. 1,  April  2020, 32 – 40
JTTM: Jurnal Terapan Teknik Mesin is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Analisa Stray Losses Pada Struktur Transformator Daya Satu Fasa 275 kV 83.3 MVA - Asep Saepudin , Asep Dharmanto
Gambar 9 . Tampilan simulasi  (B) kerapatan flux magnet (Wb/ m2 = Tesla) pada cover.
Gambar 10 . Tampilan simulasi  (B) kerapatan flux magnet (Wb/ m2 = Tesla) pada core clamp .
Gambar 11. Tampilan simulasi  (B) kerapatan flux magnet
Jurnal Terapan Teknik Mesin, Vol.1, No. 1,  April  2020, 32 – 40
JTTM: Jurnal Terapan Teknik Mesin is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Analisa Stray Losses Pada Struktur Transformator Daya Satu Fasa 275 kV 83.3 MVA - Asep Saepudin , Asep Dharmanto
(Wb/ m2 = Tesla) pada flitch plate.

## 3.1 Hasil pengukuran.
Uji  kerugian  pada  beban  ( Load  Losses )  [8]  untuk  mengetahui  seberapa  besar  kerugian tembaga I 2 R pada saat dibebani arus nominal dan kerugian tambahan ( stray losses ) [9] pada belitan struktur transformator akibat kebocoran flux [2] di pengujian ini dan disebut juga dengan pengujian  rangkaian  tertutup  ( short  circuit ).  Untuk  mengetahui stray  losses (kerugian tambahan)  didapat  pada  pengujian  hubung  singkat (short  circuit ),  didalam  persamaan dituliskan sebagai berikut:
P ll = P c + P ec + P osl =   R dc . I 2 + P ec + P osl [Watt]                                                         (8)
Dimana:
P ll
: Rugi berbeban total
P c : Rugi tembaga (pada lilitan primer dan sekunder)
P ec : Rugi arus pusar pada kumparan P osl : Rugi-rugi pada struktur tangki dan belitan akibat kebocoran medan magnet.
Pada penelitian ini memfokuskan pada stray losses [10] (kerugian tambahan) pada bagian struktur transformator yang ditampilkan pada tabel 1, kemudian untuk mengetahui total stray losses secara keseluruhan, dibawah perbandingan stray losses (kerugian tambahan) antara perhitungan  menggunakan software iTrac ,  simulasi  dengan software  ansys [11]  dan pengukuran yang ditampilkan pada tabel 2.
Tabel 1. Simulasi stray losses pada struktur trafo.
No Bagian struktur Trafo Ps tray (watt) 1 Tangki 6,441,436 2 Cover 2,105,352 3 Core Clamp 6,441,436 4 Flitch Plate 6,441,436 Total 21.429,66
Tabel 2. Perbandingan stray losses dan total losses pada trafo.
Hasil Total Stray (kW) Total Losses (kW) Presentasi stray losses vs total losses Design 33,510  111,770 30% Simulasi 37,033  113,530 33% Pengujian  44,486  122,056 37%
Model  yang  terbuat,  sehingga  kerugian  pada  struktur  yang  di  simulasi  dengan  hasil pengukuran. Hasil simulasi nilainya lebih kecil dari pengukuran, hal ini karena kerugian eddy [12]  pada  struktur  trafo  yang  disimulasikan,  adapun  kerugian  tambahan  pada  belitan  tidak
Jurnal Terapan Teknik Mesin, Vol.1, No. 1,  April  2020, 32 – 40
JTTM: Jurnal Terapan Teknik Mesin is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Analisa Stray Losses Pada Struktur Transformator Daya Satu Fasa 275 kV 83.3 MVA - Asep Saepudin , Asep Dharmanto
disimulasikan.  Mempertimbangkan  alasan-alasan  ini,  hasil  simulasi  yang  dilakukan mendapatkan nilai pengukuran dengan baik.

## 4. SIMPULAN
Hasil analisis yang didapat dengan menggunakan analisa elemen hingga konsisten dengan analisis teoritis, menggambarkan validitas metode. Ada perbaikan pada simulasi analisa stray losses dibandingkan  dengan  perhitungan  desain  sekitar  9.05%  terhadap  hasil  pengukuran. Berdasarkan hasil perhitungan desain, simulasi analisa dan pengukuran stray losses adalah 30%-37% .

## 5. DAFTAR PUSTAKA
[1] J.  C.  Olivares-Galvan,  E.  Campero-Littlewood,  J.  L.  Hernandez-Avila,  R.  Escarela- Perez,  S.  M. Adame,  and A.  D. Theocharis,  “Evaluation  of  stray  losses  in  throats  of distribution  transformers  using  finite  element  simulation,” Proc.  6th Andean  Reg.  Int. Conf. Andescon 2012 , pp. 7–10, 2012.
[2] M. Singh, M. Verma, A. Kanaujia, S. Rai, and A. Soman, “Reduction of Stray Losses in Distribution Transformer using different materials of Clamping,” pp. 5–7, 2018.
[3] L. Kralj and D. Miljavec, “Stray losses in power transformer tank walls and construction parts,” 19th Int. Conf. Electr. Mach. ICEM 2010 , no. October, pp. 1–5, 2010.
[4] J.  H.  Harlow,  “HfCTRIC  POWfH  TRANSfORMfR  fNGINHRING  Edited  by,”  pp.  1–6, 2012.
[5] T. Orosz, “Evolution and modern approaches of the power transformer cost optimization methods,” Period. Polytech. Electr. Eng. Comput. Sci. , vol. 63, no. 1, pp. 37–50, 2019.
[6] Z. Janic, Z. Valkovic, and Z. Stih, “Stray Losses in Transformer Clamping Plate,” 2006 12th Bienn. IEEE Conf. Electromagn. F. Comput. , pp. 1–5, 2006.
[7] T.  Orosz,  D.  Pánek,  and  P.  Karban,  “FEM  Based  Preliminary  Design  Optimization  in Case of Large Power Transformers,” Appl. Sci. , no. Figure 2, 2020.
[8] G. P. P, “A Review about Testing of Distribution Transformers,” Int. J. Adv. Technol. , vol. 2, no. 1, pp. 165–177, 2011.
[9] S.  Magdaleno-Adame,  P.  Penabad-Duran,  J.  C.  Olivares-Galvan,  S.  Maximov,  R. Escarela-Perez,  and  E.  Campero-Littlewood,  “Reduction  of  stray  losses  in  tertiary voltage  bushings  in  power  transformer  tanks,” 2014  IEEE  Int. Autumn  Meet.  Power, Electron. Comput. ROPEC 2014 , pp. 5–9, 2014.
[10]  K. V Dave, S. M. Kanani, and E. Engineering, “USE OF FEM FOR REDUCTION OF TRANSFORMER  STRAY  LOSS  1  Lecturer  ,  Department  of  Electrical  Engineering  , AVPTI , Rajkot,” vol. 5, no. 2, pp. 509–514, 2016.
[11]  A. In and T. Issue, “Exc Ellence in Eng I Ne E R I Ng Si M U L At Io N,” Ansys Advant. , vol. V, no. 3, 2011.
[12]  M. C. Hlatshwayo, “The Computation of Winding Eddy Losses in Power Transformers Using Analytical and Numerical Methods,” 2013.