Mengapa Proses Pemuatan Sering Menjadi Masalah?
Sebelum dipasang dan dioperasikan di lokasi, transformator telah dirancang dan diuji sesuai dengan spesifikasi atau standar tertentu. Dalam praktiknya, transformator harus beradaptasi dengan sejumlah variasi dari kriteria operasional standar yang ditetapkan dalam dokumen-dokumen tersebut. Untuk mendapatkan manfaat maksimal dari transformator, diperlukan pemahaman yang baik tentang variasi operasional.
Artikel teknis ini menyoroti beban sebagai masalah utama yang memengaruhi pengoperasian transformator. Dengan pengetahuan dari artikel teknis ini, dimungkinkan untuk memahami dan mengelola pengoperasian transformator jangka panjang dengan lebih baik , sehingga menawarkan siklus hidup yang lebih panjang dan optimal.
Rating transformator ditentukan dari beban kondisi tunak (daya semu) yang dapat ditanggungnya tanpa melebihi kenaikan suhu yang dijamin. Pada suhu lingkungan yang dinormalisasi (dalam batas yang dijamin), isolasi diasumsikan mengalami degradasi (atau penuaan) pada tingkat normal ketika transformator dioperasikan pada beban nominal konstan.
Dalam praktiknya, baik beban maupun suhu lingkungan tidak konstan; beban sesaat mengikuti permintaan konsumen industri dan rumah tangga, dan suhu lingkungan bervariasi tergantung waktu dalam sehari dan setiap musim.
Dalam pengoperasiannya, transformator merupakan sumber beberapa kerugian, seperti kerugian tanpa beban, kerugian lilitan, dan kerugian hamburan . Kerugian pada setiap komponen dile dissipated sebagai panas dan ini harus ditransfer ke media pendingin eksternal jika suhu komponen ingin dibatasi (biasanya dengan penukar panas oli/udara atau oli/air).
Desain sistem pendingin memastikan bahwa kenaikan suhu oli dan lilitan bagian atas tidak melebihi batas yang dijamin, tetapi suhu absolutlah yang menentukan kemampuan beban transformator.
Penuaan termal pada kertas penting karena mengurangi kekuatan mekanik sehingga membuatnya lebih rentan terhadap sobekan yang dapat menyebabkan kegagalan dielektrik.
1. Variasi Penuaan Transformator dengan Beban
Isolasi selulosa mengalami degradasi lebih cepat pada suhu yang lebih tinggi. Dengan demikian, biasanya degradasi termal isolasi selulosa (pada titik terpanas) yang menjadi batasnya. Selain itu, pada suhu tertentu, oli mulai mengalami perubahan kimia dan dapat mengeluarkan gelembung gas. Hal ini juga harus diperhitungkan ketika mempertimbangkan pengoperasian transformator yang aman.
Ketergantungan suhu sebenarnya dari minyak dan selulosa bergantung pada sejumlah variabel termasuk kadar air, keasaman, ketersediaan oksigen, dan keberadaan katalis. Montsingee menunjukkan penurunan kekuatan tarik secara bertahap seiring waktu, dengan laju penurunan kekuatan yang semakin cepat seiring peningkatan suhu. Para peneliti selanjutnya menunjukkan hasil serupa untuk produk selulosa lainnya.
Prinsip dasar penuaan termal isolasi sebagai fungsi suhu dan waktu mengikuti hubungan Arrhenius . Laju penurunan sifat mekanik berlipat ganda untuk setiap kenaikan suhu 5-10°C, tetapi tidak konstan pada semua suhu. Persamaan telah dirumuskan yang memungkinkan perkiraan kasar tentang hilangnya masa pakai relatif terhadap masa pakai “normal” yang diharapkan untuk kondisi operasi yang diketahui.
Persamaan tersebut dapat ditemukan dalam panduan pembebanan IEC 60076-7 dan IEEE C57.915.
Suhu titik panas yang menyebabkan laju penuaan sebesar satu merupakan salah satu kriteria desain terpenting untuk sebuah transformator . Meskipun laju penuaan diketahui bergantung pada sejumlah faktor, metode normal untuk memperkirakannya adalah dengan hanya mempertimbangkan suhu titik panas.
Sebagai contoh, panduan pembebanan IEC menganggap bahwa transformator akan mengalami penuaan dengan laju satu ketika beroperasi terus menerus pada suhu titik panas 98°C.
Hal ini berlaku untuk transformator yang tidak memiliki perlakuan kimia pada lapisan kertas konduktor. Jika digunakan lapisan kertas yang ditingkatkan secara termal, nilai yang lebih tinggi dapat diterima, misalnya, panduan pembebanan IEEE menganggap suhu titik panas 110°C setara dengan tingkat pengeluaran umur pakai yang rendah. Sebagian besar transformator mengalami berbagai suhu lingkungan yang terus berubah , dan oleh karena itu, meskipun bebannya konstan, suhu titik panas akan berfluktuasi dan laju penuaan tidak dipertahankan pada angka satu.
Namun, dengan asumsi suhu rata-rata tahunan 20°C, ada kemungkinan yang wajar bahwa waktu yang dihabiskan transformator pada suhu lingkungan di atas 20°C akan diimbangi oleh durasi yang dihabiskan di bawah 20°C.
Dengan demikian, peningkatan masa pakai saat beroperasi dengan suhu lingkungan di atas 20°C akan diimbangi oleh penurunan masa pakai saat suhu di bawah 20°C . Praktik yang direkomendasikan menurut IEC 60076-7 adalah menggunakan suhu lingkungan tertimbang tahunan untuk perhitungan penuaan karena memberikan hasil yang lebih akurat daripada menggunakan nilai rata-rata aritmatika.
Berdasarkan suhu lingkungan yang telah dipertimbangkan, penuaan normal isolasi terjadi ketika durasi pengoperasian dengan suhu titik panas yang tinggi diimbangi oleh periode pengoperasian yang sesuai pada suhu titik panas yang lebih rendah.
Meskipun suhu lingkungan rata-rata tahunan yang dihitung berdasarkan bobot digunakan untuk perhitungan penuaan termal, IEC merekomendasikan penggunaan suhu rata-rata bulanan dari bulan terpanas untuk pertimbangan desain dan pengujian suhu titik panas maksimum .
Untuk pertimbangan dinamis, seperti pemantauan atau pembebanan darurat jangka pendek, profil suhu aktual harus digunakan secara langsung. Suhu lingkungan tentu saja bukan satu-satunya variabel yang ditemui selama pengoperasian.
Sebagian besar transformator tidak beroperasi pada beban nominal konstan . Dalam kondisi operasi normal yang berlaku untuk sebagian besar transformator, terdapat potensi margin dalam harapan hidupnya.
Sebagian besar masa pakainya, transformator sering dioperasikan pada beban yang lebih rendah dan suhu lingkungan yang lebih rendah daripada yang ditentukan. Pengoperasian seperti itu tetap akan menyebabkan penuaan, dan perlu dicatat bahwa keberadaan air, oksigen, dan kontaminan akan mempercepat proses penuaan tersebut.
Dalam panduan pemuatan IEC, evaluasi penuaan relatif kertas normal, yang terkait dengan titik panas penggulungan , diberikan oleh rumus berikut:
- V = Laju penuaan pada θ jam / Laju penuaan pada 98°C, atau
- V = 2 (θ h −98)/6
Di mana:
- V adalah penuaan relatif,
- Q adalah suhu titik panas.
Dengan memantau beban dan suhu lingkungan serta menentukan suhu titik panas, dimungkinkan untuk mendapatkan perkiraan kasar tentang rata-rata penuaan transformator selama setahun. Namun, untuk menilai kondisi penuaan sebenarnya dari transformator yang beroperasi membutuhkan perkiraan yang jauh lebih akurat yang memperhitungkan efek harmonik, lokasi titik panas, dan metodologi yang andal untuk prediksi kehilangan umur pakai.
Selain itu, kandungan air, baik dalam selulosa maupun minyak, termasuk di antara parameter kritis yang memengaruhi umur termal transformator.
2. Beban Trafo Melebihi Kapasitas Terukur
Mengoperasikan transformator melebihi daya nominalnya atau beroperasi pada daya nominal pada suhu lingkungan yang lebih tinggi dari suhu “nominal”, memerlukan pertimbangan cermat terhadap efek penuaan transformator dan juga risiko kegagalan dini yang terkait dengan peningkatan suhu.
Meningkatkan arus beban juga meningkatkan fluks liar yang menyebabkan kerugian yang lebih besar (dan peningkatan suhu) pada konduktor dan bagian-bagian konstruksi.
Pada akhirnya, batas termal isolasi yang bersentuhan dengannya tercapai. Batasan lebih lanjut dalam peningkatan arus ditentukan oleh kapasitas pensaklaran pengubah tegangan , oleh peralatan lain dengan komponen isolasi seperti pengubah tegangan dan bushing, dan oleh volume maksimum bejana ekspansi oli.
Salah satu risiko langsung yang paling mungkin terjadi ketika transformator kelebihan beban adalah penurunan kekuatan dielektrik yang disebabkan oleh munculnya gelembung, baik pada isolasi selulosa, maupun pada permukaan bagian konstruksi logam. Hal ini semakin mungkin terjadi ketika suhu titik panas melebihi 140°C. Kandungan kelembapan dapat berkontribusi menurunkan batas ini.
Selain itu, efek degradasi termal kumulatif seiring waktu penggunaan akan secara bertahap mempercepat penuaan isolasi. Panduan pembebanan standar memberikan rekomendasi tentang beban berlebih yang diizinkan terkait dengan suhu titik panas maksimum dan laju penuaan transformator untuk rezim pembebanan tertentu.
Semakin banyak data yang tersedia, semakin akurat dan detail penilaian yang dapat dilakukan.
Untuk transformator baru, biasanya diharapkan tersedia perhitungan termal dan informasi uji kenaikan suhu pabrik . Hal ini memungkinkan perhitungan konstanta waktu termal dan penilaian yang lebih teliti terhadap suhu titik panas dan lokasinya.
Namun, untuk transformator yang sudah ada, data tersebut mungkin tidak tersedia, meskipun pabrikan mungkin dapat memberikan informasi desain atau pengujian pabrik yang terbatas.
Pendekatan sederhana mempertimbangkan faktor beban maksimum yang dapat diterima sebagaimana didefinisikan oleh panduan pembebanan dan memperhitungkan suhu lingkungan. Untuk transformator daya besar, IEC merekomendasikan batasan untuk arus per-unit (yaitu arus beban/arus nominal) dan ini diberikan sebagai Faktor Beban, K, pada Tabel 1 di bawah ini.
| Faktor Beban (K) | Jenis Pemuatan |
| ≤ 1,5 | Untuk pemuatan darurat jangka pendek |
| ≤ 1,3 | Untuk pemuatan darurat jangka panjang |
Tabel 1– Faktor Beban dan Jenis Beban
Data desain berikut harus diperiksa:
- Suhu titik panas lilitan dan suhu bagian logam apa pun yang bersentuhan dengan selulosa,
- Suhu setiap bagian logam yang bersentuhan dengan bahan isolasi cair,
- Suhu oli maksimum.
Karakteristik desain dan kondisi transformator (kelembapan, kandungan gas, dan partikel) merupakan parameter penting untuk penuaan transformator ketika diberi beban yang lebih tinggi, karena faktor percepatan penuaan sangat bergantung pada parameter-parameter ini.
Oleh karena itu, batas kemampuannya harus dipertimbangkan dengan sangat hati-hati ketika beban melebihi nilai nominal yang tertera pada pelat nama.
Penting untuk dicatat bahwa pengoperasian transformator pada suhu titik panas di bawah 98°C (misalnya pada suhu lingkungan rendah, atau pada arus yang berkurang) akan mengurangi laju penuaan isolasi selulosa hingga kurang dari satu. Jika suhu lingkungan di bawah 20°C, maka beberapa pembebanan transformator di atas nilai nominal dimungkinkan tanpa melebihi laju kehilangan umur pakai satu, dan sebaliknya, pada suhu lingkungan yang lebih tinggi, laju penggunaan umur pakai satu dapat dipertahankan dengan pengoperasian di bawah nilai nominal.
Alternatifnya, beban puncak dapat ditangani tanpa perlu memperbesar kapasitas dan beban darurat dapat ditangani tanpa gangguan layanan listrik, asalkan kehilangan masa pakai tambahan dapat diterima atau dapat dikompensasi dengan pengoperasian selanjutnya pada beban atau suhu lingkungan yang lebih rendah. Sebagian besar rezim pembebanan transformator termasuk dalam tiga profil tipikal seperti yang didefinisikan dalam IEC 60076-7 dan seperti yang tercantum di bawah ini.
Batasan untuk setiap profil diberikan pada Tabel 2 di bawah ini.
KONTEN PREMIUM
Kategori “Transformator” membahas artikel-artikel teknis yang khusus membahas transformator daya dan distribusi. Ini mencakup teori transformasi tegangan, konstruksi, analisis kelompok transformator, berbagai jenis transformator yang digunakan dalam jaringan listrik, dan lain-lain. Fokus khusus diberikan pada proteksi transformator yang memainkan peran penting dalam stabilitas jaringan listrik dan proteksi secara keseluruhan.
