Transformator daya berkapasitas 10 MVA dengan tegangan 20 kV/6,3 kV di Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD) Ampenan merupakan peralatan vital yang memerlukan sistem proteksi andal. Penelitian ini menganalisis sistem proteksi transformator menggunakan relay diferensial sebagai proteksi utama untuk mendeteksi gangguan internal seperti hubung singkat antar lilitan atau kerusakan isolasi, dengan tujuan mengetahui setting relay eksisting, menentukan metode setting yang tepat, serta mengevaluasi kinerja sistem proteksi agar mampu bekerja cepat, selektif, dan andal. Metode penelitian meliputi pengumpulan data spesifikasi transformator, log gangguan, hasil pengukuran operasi, perhitungan arus nominal, arus CT, arus ratio dan simulasi menggunakan perangkat lunak ETAP 19.01 untuk memverifikasi perhitungan arus nominal, rasio current transformer, serta respon relay diferensial terhadap kondisi normal, gangguan internal, dan eksternal. Hasil analisis menunjukkan bahwa gangguan dominan adalah internal seperti kerusakan tap changer dan trip diferensial, dengan arus nominal transformator sebesar 916,4 A pada sisi primer dan 288,7 A pada sisi sekunder, serta relay diferensial terbukti selektif dan efektif dalam mendeteksi gangguan internal tanpa trip palsu pada kondisi normal. Kesimpulan penelitian menyatakan sistem proteksi relay diferensial memiliki keandalan tinggi dalam menjaga keandalan transformator, dengan saran untuk pengelolaan pembebanan yang lebih ketat, evaluasi setting berkala, dan peningkatan pemantauan kondisi transformator guna memperpanjang umur operasi peralatan.