ENERGY IS OUR BUSINESS. Aspek Design Thermal Pada Power Transformer. Himawan Samodra Pauwels Trafo Asia

Aspek Design Thermal Pada Power Transformer

Himawan Samodra – Pauwels Trafo Asia

2222

2

6-4-2009 Temperature Rise TRANSFORMING YOUR NEEDSINTO SOLUTIONS

ƒ

Top Oil Rise:

Top oil temperature – Ambient temperature

ƒ

Average Winding Rise:

Mean winding temperature – Ambient temperature

ƒ

Hot Spot Rise:

Temperature titik terpanas – Ambient temperature

ƒ

Winding Gradient:

Mean winding temperature - Mean oil temperature

ƒ

Hot Spot Factor:

Hot spot gradient / Average winding gradient

ƒ

IEC merekomendasikan hot spot temperature mutlak = 98 deg C

Mean winding

winding

winding

core

core

cooler

cooler

Bottom oil

Top oil

Hot spot

Mean oil

H_f x gradient Gradient

Gambar Identifikasi Temperature

Rise

Hot spot factor umumnya berkisar 1.1 sampai 1.5 tergantung kostruksi winding.

4444

4

6-4-2009 Temperature Rise TRANSFORMING YOUR NEEDSINTO SOLUTIONS

Code

Code dengan empat huruf digunakan untuk mendeskripsikan mode cooling system seperti yang dijelaskan pada standard IEC 60076-2:

ƒ Huruf pertama menjelaskan:

O Menyatakan oil, atau medium lain dengan titik bakar kurang dari 300°C.

K Menyatakan cooling liquid dengan titik bakar lebih dari 300 deg C (FR3, Ester based oil, silicon oil).

L Menyatakan cooling liquid dengan titik bakar yang tak dapat diukur (dry type transformer). ƒ Huruf kedua menjelaskan bagaimana internal cooling medium bersirkulasi:

N Natural convection di dalam winding dan pada external cooling system F Internal cooling medium disirkulasi secara paksa menggunakan pump.

D Internal cooling medium diarahkan melalui cooling chamber di bawah winding. Pada system ini cooling medium disirkulasi secapa paksa dengan menggunakan pump. ƒ Huruf ketiga menyatakan type dari external cooling medium:

A Air (udara) W Water (air)

ƒ Huruf keempat mejelaskan bagaimana external cooling medium bersirkulasi: N Dengan natural convection

Cooling Method – 1

OFW

FOW

ODWF

Water Forced flow

Forced & Directed

OFB

FOA

ODAF

Air Forced flow

Forced & Directed

OFB

FOA

OFAF

Air Forced flow

Forced (pump)

-OFAN

Air Natural flow

Forced (pump)

OB

FA

ONAF

Air Forced flow

Natural flow

ON

OA

ONAN

Air Natural flow

Natural flow

BS 171

ANSI C57

IEC 60076

External cooling

Oil circulation

6666

6

6-4-2009 Temperature Rise TRANSFORMING YOUR NEEDSINTO SOLUTIONS

Cooling Method - 2

ƒ ONAN

Adalah sistem pendinginan yang paling sederhana. Pendinginan ini hanya menggunakan radiator, tanpa memerlukan fans atau pump serta rangkaian sistem controlnya. Ini

merupakan sistem pendinginan yang paling handal diantara yang lain, namum

memerlukan permukaan cooling yang paling luas. Keuntungan lain dari type cooling ini adalah noise level yang ditimbulkan sangat rendah. Kerugiannya adalah rendahnya efisiensi cooling sehinggan hanya efektif untuk pendingin trafo-trafo kecil.

ƒ ONAF

Adalah sistem pendingin ONAN yang dilengkapi dengan fans untuk mendorong udara ke dalam radiator. Fans digunakan untuk mendorong udara dari bawah ke atas (counter-flow) atau ke arah samping (cross-(counter-flow). Penambahan cooling fans pada radiator akan sangat meningkatkan efisiensi system pendingin. Kebanyakan dari sistem cooling

dikombinasi dengan ONAN cooling untuk mengurangi auxiliary losses pada rating MVA rendah.

Kerugian dari sistem pendingian ini adalah noise level yang tinggi yang ditimbulkan oleh cooling fans.

Cooling Method - 3

ƒ ODAN

Serupa dengan sistem pendinginan ONAN, kecuali adanya pump yang digunakan untuk mensirkulasi oil ke dalam winding.

Dibandingkan dengan ONAN design, the top-to-bottom oil temperature rise lebih rendah karena volume oil yang masuk ke dalam winding lebih banyak. Ini akan menurunkan top oil rise dan hot spot temperature rise, sehingga memungkinkan design cooler yang lebih compact.

Winding gradient yang lebih rendah pada tingkat losses yang sama merupakan keuntungan tambahan dari type pendinginan ini. Sistem pendinginan ini sangat jarang

digunakan. Option ini akan dipilih bila transformer dengan cooling ONAN dirasa terlalu besar dan mahal, sedangkan ONAF dirasa terlalu menimbulkan noise (bising).

ƒ ODAF

Fans digunakan untuk mensirkulasi udara dan pump untuk mensirkulasi oil ke dalam winding. Baik radiator bank ataupun heat exchangers dapat digunakan pada sistem ini. Dengan

menggunakan radiator, sistem cooling ini dapat dikombinasi dengan ONAN dan ONAF sedangkan dengan heat exchanger tidak.

Sistem cooling ini menpunyai efisiensi yang sangat tinggi dan sangat efektif untuk sistem pendinginan trafo-trafo besar di atas 100 MVA.

Kerugian dari sistem cooling ini adalah noise level yang tinggi dan sistem control yang lebih kompleks. Tingkat kompleksitas design dari sistem ODAF juga lebih tinggi.

8888

8

6-4-2009 Temperature Rise TRANSFORMING YOUR NEEDSINTO SOLUTIONS

Cooling Method - 4

ƒ ODWF

Pada sistem ini, oil/water heat exchangers digunakan untuk mendinginkan trafo. Type cooling ini sangat efisien dan compact. Kelemahan dari sistem ini adalah diperlukannya supplai air untuk external cooling medium. Banyak digunakan pada Generator Trafo pada Hydro Power Plant dimana supplai air tidak menjadi kendala. Berikut adalah contoh Heat Exchanger type Plate.

Standard Temperature Rise Limit

ƒ Menurut standard IEC 60076-2, standard temperature rise limit adalah sebagai berikut: ƒ Top oil temperature rise Æ 60K

ƒ Winding temperature rise Æ 65K untuk ON cooling dan 70K untuk OD cooling ƒ Winding hot spot temperature rise Æ78K

ƒ Core interior hot spot temperature rise Æ115K ƒ Tank surface temperature rise Æ 80K

ƒ Standard temperature rise di atas berlaku jika rata-rata tahunan ambient temperature adalah 20 deg C dan rata-rata ambient temperatur pada bulan terpanas adalah 30 degC. Range ambient temperature normal adalah antara -25 deg C sampai 40 deg C. ƒ Jika range ambient temperature melampai range di atas, maka diperlukan design

khusus.

ƒ Mengingat rata-rata tahunan ambient temperatur di Indonesia adalah 30 deg C, maka batas temperature rise di atas disarankan untuk diturunkan 10 deg C untuk

mendapatkan tingkat temperatur mutlak yang sama. Top oil rise limit = 50K

Average winding rise limit = 55K Hot spot rise limit = 68K

10 10 10 10

10

6-4-2009 Temperature Rise TRANSFORMING YOUR NEEDSINTO SOLUTIONS

Ambient Temperature

Average Yearly Temperature : misalnya 30 deg C

ƒ Rata-rata ambient temperature dalam satu tahun

ƒ Digunakan sebagai acuan untuk perhitungan life time dari transformer ƒ Sebagai acuan untuk menentukan nilai temperature rise

ƒ IEC recommendation Æ Average Temp + Hot Spot Rise < 98 deg C

ƒ Design dengan upgraded insulation paper Æ untuk hot spot temperature lebih tinggi dari 98 deg C.

Average Temperature at the Hottest Month : misalnya 35 deg C

ƒ Rata-rata temperature di bulan terpanas.

ƒ Digunakan sebagai acuan untuk menghitung hot spot temperature pada saat overload emergency loading.

Hottest Temperature at any one day : misalnya 40 deg C

ƒ Temperature terpanas dalam satu tahun

ƒ Digunakan sebagai acuan untuk mengitung winding temperature pada saat terjadi short circuit.

Factor Yang Mempengaruhi Thermal Design

ƒ Ambient Temperature

ƒ Ketinggian Pemasangan Trafo

Semakin tinggi suatu lokasi, semakin rendah kerapatan udara, sehingga efisiensi sistem pendingin menurun. Standard ketinggian untuk thermal design adalah kurang dari 1000m. Termperature rise limit harus diturunkan 1K untuk setiap kenaikan 400m di atas 1000m untuk ONAN cooling dan 250m untuk ONAF cooling.

ƒ Solar Radiation

Transformers installed in direct sunlight are subject to additional heating owing to solar radiation (solar gain). This additional heating can be taken into account by

considering it to be an additional loss, which must be dissipated to the surroundings. Solar radiation is most intense in tropical regions (where the sun is highest in the sky and least radiation is absorbed by the atmosphere), at high altitudes (where there is less atmosphere between the transformer and the sun) and in desert regions (where there is little natural shade).

Jika tidak ada data tentang solar radiation, nilai tersebut dapat kita asumsikan 1200 W/m2 untuk daerah tropis.

12 12 12 12

12

6-4-2009 Temperature Rise TRANSFORMING YOUR NEEDSINTO SOLUTIONS

Oil Flow Type

ƒ

Axial oil flow:

Penggunaan cooling axial kanal (clack band) dalam winding. Gradient

winding umumnya lebih tinggi dibanding zigzag oil flow. Filling factor winding

menjadi jelek karena space yang dipakai untuk axial kanal.

ƒ

Zigzag oil flow:

Penggunaan oil flow washer untuk mengarahkan oil dalam winding.

Pendingin dalam winding lebih effective karena oil dipaksa masuk ke

celah-celah winding.

ƒ

Natural oil flow:

Sirkulasi oil secara alami di dalam winding karena pebedaan temperature

(thermosiphon effect).

ƒ

Forced oil flow:

Penggunaan oil pump untuk sirkulasi oil paksa. Gradient Winding ditentukan

oleh kecepatan oil di dalam winding. Metode cooling ini sangat efficient

untuk trafo-trafo berukuran besar (di atas 100MVA) dimana cooling sudah

menjadi kendala dalam design.

Gambar zigzag oil flow

Gambar axial oil flow

14 14 14 14

14

6-4-2009 Temperature Rise TRANSFORMING YOUR NEEDSINTO SOLUTIONS

Pemasangan Oil flow Washer

Gambar zigzag oil flow

Tipe sumbatan dalam

Gradient Exponent

Adalah nilai exponent untuk mengekstrapolasi nilai gadient sebagai fungsi dari

current density.

ƒ

ON dengan axial oil flow = 1.60

ƒ

ON dengan zig zag oil flow = 1.20

ƒ

OD =

2.0

Oil Temperature Exponent

Adalah nilai exponent untuk mengekstrapolasi nilai oil temperature sebagai fungsi

dari total losses.

ƒ

ON =

0.80

ƒ

FA = 0.90

ƒ

OD =

1.00

16 16 16 16

16

6-4-2009 Temperature Rise TRANSFORMING YOUR NEEDSINTO SOLUTIONS

ƒ

Nilai hot spot factor berkisar antara 1.1 sampai 1.5 tergantung pada konstruksi

winding. Pada medium power transformer (20-150MVA), nilai hot spot factor

yang dipakai adalah 1.3 (menurut standard IEC).

ƒ

Terjadi pada daerah Top Winding karena intensitas eddy current losses yang

lebih tinggi akibat dari efek radial flux bending, masuk ke arah sisi lebar

konduktor.

ƒ

Tergantung pada ukuran wire di daerah top winding. Semakin lebar ukuran

wire, semakin besar hot spot factor. Penggunaan axial twin conductor atau

CTC dapat menurunkan hot spot factor pada trafo-trafo besar.

ƒ

Tergantung pada impedansi dan rating trafo. Semakin besar impedansi

semakin besar hot spot factor, karena efek stray flux semakin besar sehingga

intensitas eddy current losses di daerah top winding meningkat tajam.

18 18 18 18

18

6-4-2009 Temperature Rise TRANSFORMING YOUR NEEDSINTO SOLUTIONS

Laju Penuaan Isolasi (Insulation Aging Rate)

4.00

110

3.17

108

2.51

106

2.00

104

1.58

102

1.25

100

1.00

98

0.79

96

0.63

94

0.50

92

Aging Rate

Hot Spot Temperature (

o

_C)

20 20 20 20

20

6-4-2009 Temperature Rise TRANSFORMING YOUR NEEDSINTO SOLUTIONS

22 22 22 22

22

6-4-2009 Temperature Rise TRANSFORMING YOUR NEEDSINTO SOLUTIONS

Internal Cooling Medium

ƒ

Mineral oil untuk class A insulation. Maximum oil temperature adalah 115 deg C.

Applicable untuk kraft paper insulation ataupun thermally upgraded paper –

insulation class A.

ƒ

Silicon oil untuk class K insulation. Titik bakar silicon oil mencapai 300 deg C.

Biasanya digunakan pada hybrid design transformer atau high temperature rise

transformer dengan NOMEX insulation pada slim design transformer.

ƒ

Ester based oil (FR3 - Envirotemp) untuk ramah lingkungan. Voscositas tinggi

pada suhu rendah, sehingga sirkulasi kurang baik. Pada suhu tinggi, sirkulasi oil

lebih baik.

External Cooling Medium

ƒ

Udara (radiator atau air cooler).

ƒ

Air (water cooler). Water cooling system adalah sistem pendinginan yang sangat

effektif, tidak memerlukan banyak ruang.

Degree of Polimerization

0%

<200

30%

300

60-66%

500

90%

800

100%

>1000

Estimasi Sisa Umur Trafo (%)

DP

24 24 24 24

24

6-4-2009 Temperature Rise TRANSFORMING YOUR NEEDSINTO SOLUTIONS

Long Time Emergency Rating:

ƒ

120% dari nominal rating

ƒ

Maximum top oil temperature tidak melebihi 100 deg C

ƒ

Maximum hot spot temperature tidak melebihi 115 deg C

ƒ

Durasi pembebanan antara 2 sampai 4 jam, tergantung pada time constant

transformer

ƒ

Berdampak pada pengurangan life time dari trafo

Short Time Emergency Rating:

ƒ

150% dari nominal rating

ƒ

Maximum top oil temperature tidak melebihi 115 deg C

ƒ

Maximum hot spot temperature tidak melebihi 130 deg C

ƒ

Durasi pembebanan antara 0.5 sampai 1.0 jam, tergantung pada time constant

dari transformer.

ƒ

Berdampak pada pengurangan life time dari trafo

Panduan Emergency Over Load

Long Time Emergency Overload 120%

21.55 116.19 88.18 1440 21.55 116.19 88.18 1200 21.55 116.18 88.17 960 21.55 115.95 87.94 480 21.55 114.42 86.41 240 21.55 111.36 83.35 120 21.08 108.21 80.80 60 21.55 105.93 77.92 30 21.54 104.55 76.55 15 21.48 103.98 76.06 10 20.98 102.80 75.53 5 19.55 100.63 75.21 2 17.00 97.10 75.00 0 (deg C) (deg C) (deg C) (minute) Winding Gradient Hot Spot Temp

Top Oil Temp Loading Time

30 deg C Ambient

26 26 26 26

26

6-4-2009 Temperature Rise TRANSFORMING YOUR NEEDSINTO SOLUTIONS

Short Time Emergency Overload 150%

28.79 148.14 110.71 1440 28.79 148.14 110.71 1200 28.80 148.14 110.70 960 28.79 147.61 110.18 480 28.80 143.80 106.36 240 28.80 135.68 98.24 120 28.80 127.05 89.61 60 28.80 120.70 83.26 30 28.79 116.83 79.40 15 28.71 115.32 78.00 10 27.76 112.60 76.51 5 24.30 107.20 75.61 2 17.00 97.10 75.00 0 (deg C) (deg C) (deg C) (minute) Winding Gradient Hot Spot Temp

Top Oil Temp Loading Time

30 deg C Ambient

28 28 28 28

28

6-4-2009 Temperature Rise TRANSFORMING YOUR NEEDSINTO SOLUTIONS

30 30 30 30

30

6-4-2009 Temperature Rise TRANSFORMING YOUR NEEDSINTO SOLUTIONS