transformer electrical design.docx

Transformer Electrical DesignProses pada Manufaktur TransformatorSecara garis besar proses yang umumnya terjadi pada sebagian besar perusahaan manufakturing trafo dapat di interpretasikan dengan gambar di bawah ini.

Costumersebagai pihak yang akan membeli trafo pertama kali akan berhubungan dengancommercial team. Spesifikasi trafo yang diinginkancostumerakan diteruskan oleh commercial team ke tendering team. Tenderingteamakan mendesain trafo dengan spesifikasi daricostumertersebut. Output dari tendering teamberupa harga trafo dan spesifikasi trafo yang dapat dibuat oleh pabrikan akan diteruskan olehcommercial teamkepadacostumer. Jikacostumermenyetujui spesifikasi yang ditawarkan, maka trafo tersebut akan diteruskan kepadaproject leadersebagai jembatan antaracostumerdengan pabrikan maupun sebaliknya. Selanjutnya trafo masuk ke dalam tahap proses produksi. Diawali oleh bagian engineeringdimana spesifikasi trafo yang ditawarkan akan lebih dimatangkan lagi dari segielectricaldan konstruksi. Selanjutnya dariengineeringjuga akan dibuatkan gambar kerja (drawing) sebagai acuan bagian produksi untuk merealisasikan trafo tersebut. Setelah trafo selesai dibuat, dilakukan pengetesan trafo untuk mengetahui apakah trafo tersebut telah memenuhi spesifikasi yang diinginkan. Costumer dapat menginterupsi proses pembuatan, seperti untukapproval drawing, pemantauan proses produksi hinggawitnesspada saat pengujian trafo melaluiProject Leader.Electrical Design Engineering DepartmentTransformer electrical basic designDari spesifikasi trafo yang telah disetujui olehcostumer, terdapat nilai-nilai elektrik trafo yang digaransikan pabrikan sebagai acuan bagianelectrical designdan konstruksi untuk merealisasikan trafo tersebut. Nilai yang umumnya digaransikan antara lain ialah Impedansi (Z), No-Load Losses(P0), dan Load Losses(Pcu).Dalam mendesain trafo, paraengineerdapat memulai dari batasan nilai mana saja dengan hasil akhir trafo yang memenuhi semua kriteria spesifikasi trafo yang digaransikan. Karena perhitungan yang sangat kompleks dan saling berhubungan antara satu komponen dengan lainnya, maka para engineer dibantu dengan menggunakansoftware design.Softwaredesignjuga bisa memberikan optimasi untuk menentukan desain mana yang efektif dengan harga yang lebih ekonomis.Secara sederhana dasar-dasar desain trafo dapat dijabarkan sebagai berikut: Dengan menentukan nilaiVolt/turndan nilai kerapatan fluks yang digunakan maka akan didapatkan luas penampang dari inti trafo

Dengan nilaiVolt/turnjuga akan didapatkan berapa jumlah lilitan (N) dalam satu belitan. Dan dengan menentukan kerapatan arus (d) dalam konduktor, maka akan diketahui luas penampang konduktor (A) yang dibutuhkan.

Lalu dengan menggunakan nilai luas penampang inti besi (Ac), maka akan diketahui berapa lebar diameter dari belitan (D).

Dengan kedua nilai luas penampang konduktor (A) dan jumlah lilitan (N) ditambah dengan perhitungan jarak tambahan untuk kertas isolasi danspacer(jika digunakan), maka akan diketahui tinggi belitan (Hm).

Setelah diketahui diameter (D) dan tinggi (Hm) dari belitan, maka akan dapat diketahui massa total inti besi yang digunakan. Nilai ini dapat digunakan untuk menentukan besarnya rugi-rugi inti besi dalam trafo. NilaiCore Lossdidapatkan dari kurva karakteristik bahan inti besi yang digunakan dan kerapatan fluks yang diaplikasikan. Sedangkan nilai konstanta merupakan faktor pengaman.

Dengan mengetahui luas penampang konduktor, banyaknya lilitan dan dimensi belitan, maka bisa diketahui massa konduktor yang digunakan dan akan didapatkan nilai rugi-rugi tembaga dari trafo tersebut (Pcu).

Dan untuk mengetahui impedansi trafo dapat dilakukan dengan mencari besarnya komponen induktif trafo. Hal ini dikarenakan komponen resistif trafo sangat kecil bila dibandingkan dengan komponen induktifnya. Impedansi teganganXpu, dalam satuan % diketahui dengan persaamaan :

Dari desain yang telah dibuat, nilai-nilai elektrik trafo harus dapat memenuhi nilai yang digaransikan kepadacostumer. Setelah itu bagianengineeringakan menurunkandrawingdan realisasi pembuatan trafo akan dilanjutkan oleh bagian produksi.Type of windingPemilihan jenis belitan pada transformator berdasarkan besarnya tegangan impuls ialah sebagai berikut :

Belitan pada trafo terdiri dari dua jenis, yaitu layer dan disc. Belitan Layera. Spiral atau layer, konduktor dililit secara axial sepanjang belitan. Konduktor dapat berupa konduktor tunggal atau multilayer untuk belitan tap.b. Helical layer, konstruksi yang sama dengan spiral layer namun dengan menyisipkan spacer pada tiap putaran di antara konduktornya sebagai jalur jalannya minyak pendingin. Belitan DiscBelitan disusun secara melingkar radial dan terhubung secara seri, sehingga dalam satu lingkaran radial bias memuat lebih dari satu lilitan konduktor.Type of conductorKonduktor yang digunakan bisa berupa tembaga atau aluminium. Tembaga lebih umum digunakan karena memiliki resistansi yang lebih rendah dan dengan tujuan menurunkan rugi-rugi. Tembaga juga secara mekanik lebih kuat untuk tekanan yang terjadi akibat dari gangguan hubung singkat.Bentuk konduktor umumnya persegi untuk memaksimalkan ruang yang bisa diisi konduktor dalam belitan. Jika belitan membutuhkan konduktor dengan luas penampang yang besar, maka koduktor dapat dibagi menjadi dua atau lebih konduktor parallel dengan tujuan untuk mengurangi rugi-rugi arus eddy dan memudahkan dalam penyusunan lilitan. Ketika jumlah parallel konduktor yang dibutuhkan sangat banyak, maka dapat digunakan konduktor jenis CTC (continuously transpose conductor).Insulation LevelTingkat isolasi suatu trafo mengacu pada standar yang digunakan. Sebagai contoh untuk trafo dengan spesifikasi 150/20/(10) kV, 60MVA, YNyn0+d menggunakan standar IEC maka level isolasi akan mengacu kepada table 2 IEC60076-part 3HV 150 kV (Non-uniform insulation)

LV 20kV (Uniform insulation)

TV (10)kV

Design Insulation Level (DIL)DIL adalah satu parameter angka yang menunjukkan sistem isolasi utama dalam membuat suatu trafo.Nilai DIL digunakan sebagai acuan desain tingkat isolasi antara belitan dengan inti besi dan tanki, juga sebagai dasar tingkat isolasi antara dua belitan yang berdekatan danleadyang keluar dari belitan.beberapa nilai penekanan (weighting factor) yang umumnya digunakan untuk DIL ialah :Voltage applicationIEC refDurationWeighting factor

Induced Voltage TestACSD1 minute1.0

Applied Voltage TestACSD1 minute1.0

Lightning ImpulseLI1.2/50 s2.4

Sebagai contoh untuk trafo dengan spesifikasi 150/20/(10) kV 60MVA, maka BIL dengan acuan standar IEC ialah 650/275kV sehingga DIL untuk LI :

Dan acuan DIL dari PFW :

Trafo akan didesain dengan level isolasi pada 275kV.Insulation SystemSistem isolasi antar belitan satu dengan lainnya dan antara belitan dengan inti besinya menggunakan sistem dinding-dinding isolasi (Barrier system). Pada sistembarrierini di antara dua belitan dan di antara belitan dengan inti disisipkan dinding-dinding isolasi yang berupa papanpressboardsecara tegak lurus dan menutupi belitan.Keuntungan menggunakan sistembarrierini ialah untuk meningkatkan kekuatan dielektrik dari sistem isolasi dan mengurangi total volume isolasi dengan cara memangkas jarak isolasi yang panjang menjadi beberapa bagian ruang yang dibatasi oleh papanpressboard.Pada bagian atas belitan untuk memangkas jarak dengan bagianyokedari inti besi, maka digunakan angle ring.Angle Ringjuga disusun untuk mengarahkan dan menyediakan ruang bagi minyak pendingin agar bisa masuk dan keluar dari belitan.

Stress/shield RingPada gambar di atas juga ditunjukkan adanyastress/shield ringpada ujung belitan.Stress Ringterbuat dari intinya yang merupakan kayu yang sudah dikompress dengan resin sintetik kemudian diselubungi dengan pita tembaga dan terakhir ditutupi dengan isolasi kertas. Kemudian pita tembaga dihubungkan denganleadbelitan.Stress ringberfungsi untuk mengurangi kekuatan medan listrik pada ujung belitan ke tingkat yang lebih aman.Penentuan pemilihan OLTCDasar pemilihan OLTC (On Load Tap Changer) yang akan digunakan untuk suatu transformator ialah dengan 5 parameter yaitu, Vector Group, dimana OLTC akan ditempatkan, pada sisi Transformator dengan hubung delta atau bintang. Operating, berapa jumlah posisi tap yang dibutuhkan . BIL (Basic Insulation Level), berapa level isolasi transformator tersebut. Vstep, berapa tegangan per step dari transformator tersebut. Arus, berapa arus terbesar yang terjadi pada saat pemindahan tap.

Sebagai contoh, Transformator 60MVA, , YNyn0, BIL 650kV dan standar IEC60076.1. Vector group YNyn0 dengan tap pada sisi HV dengan hubung bintang, maka OLTC dapat diletakkan pada sisineutral end.2. Operatingdidasarkan pada jumlah step regulasi tegangan yang diinginkan, untuk transformator di atas terdapat 7 step positif dan 10 step negatif, ditambah step tegangan nominal total dibutuhkan minimal 18 step operating tap changer.3. BIL untuk transformator 650kV, maka BIL untuk tap changer ialah 250kV dengan highest voltage 52kV berdasarkan standar IEC.4.5.Maka spesifikasi minimum OLTC yang kita butuhkan ialah : Untuk MR type VIII 350Y 76kV 10193W. Untuk ABB type UBBRN 350/400.Kemampuan Trafo Terhadap Gangguan Hubung SingkatDesain trafo yang telah dibuat harus memiliki kemampuan untuk menahan tekanan yang terjadi pada saat gangguan hubung singkat. Untuk mengetahuinya bisa dilakukan melalui perhitungan maupun pengujian trafo. Tekanan dari hubung singkat yang dialami trafo terdiri dari dua kategori yaituthermicdandynamic.a.KekuatanThermicTrafoKekuatanThermictrafo berhubungan dengan kemampuan trafo menahan panas yang terjadi di dalam belitan ketika terjadi gangguan hubung singkat. Untuk mengetahui kekuatanthermictrafo dilakukan dengan menggunakan perhitungan. Berdasarkan standar IEC, untuk trafo dengan tipe terendam minyak, batas suhu maksimum ialah 250C untuk tembaga dan 200C untuk aluminium.b.KekuatanDynamicTrafoKekuatandynamictrafo berhubungan dengan kemampuan trafo menahan tekanan atau gaya yang terjadi di dalam belitan sebagai efek dari adanya gangguan hubung singkat. Merujuk pada standar IEC, kekuatan dynamictrafo yang dapat diketahui dengan pengujian dan penghitungan dari desain trafo dapat diminta olehcostumer.Gaya yang terjadi pada belitan trafo akibat dari gangguan hubung singkat terbagi menjadi dua yaitu gaya radial dan gaya axial. Gaya radial adalah gaya yang menekan belitan ke dalam dan keluar, sedangkan gaya axial menekan belitan ke atas dan ke bawah. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar di bawah.

Pada gaya radial, gaya yang mengarah keluar (Hoop stress) dijaga untuk tidak melebihi nilai kekuatan renggang konduktor yang digunakan. Sedangkan untuk gaya yang mengarah ke dalam (Buckling) diatasi dengan memberikanaxial sticksebagai penguat pada belitan di bagian dalam.Setelah belitan trafo selesai dirakit, belitan di kompres dengan kekuatan tekanan yang melebihi tekanan axial yang akan menekan belitan ke atas maupun ke bawah pada saat terjadi gangguan hubung singkat.