Ketika memilih transformator daya, isolasi sering dibahas seolah-olah itu adalah parameter tunggal. Pada kenyataannya, desain isolasi transformator melibatkandua aspek yang berbeda secara fundamental: kinerja isolasi termal dan kekuatan isolasi dielektrik.

Sisi termal menentukan bagaimana sistem isolasi menahan suhu operasi, kenaikan suhu, suhu titik panas dan penuaan termal. Sisi dielektrik menentukan apakah transformator dapat menahan tegangan frekuensi daya, impuls petir dan tegangan berlebihan transien lainnya.

Oleh karena itu,kelas termal dan tingkat isolasi dielektrik harus dipilih secara terpisah. Membingung kedua konsep ini dapat menyebabkan spesifikasi transformator yang salah, biaya yang tidak perlu atau koordinasi isolasi yang tidak memadai.

1. Apa itu Kelas Isolasi Transformer?

KetentuanKelas A, E, B, F dan HBiasanya digunakan untuk menggambarkan klasifikasi termal sistem isolasi listrik atau bahan isolasi.

IEC 60085 menetapkan kriteria untuk mengevaluasi daya tahan termal bahan isolasi listrik dan sistem isolasi listrik dan menetapkan kelas termal. Penting, standar membedakan antara klasifikasi termal bahan isolasi dan sistem isolasi lengkap. ([IEC Webstore][1])

Kelas termal referensi khas meliputi:

Suhu ini harustidakditafsirkan sebagai batas titik panas transformator universal.

Produsen transformator harus mengevaluasi sistem isolasi lengkap, desain kenaikan suhu, pengaturan pendinginan, kondisi muatan dan standar transformator yang berlaku sebelum menentukan suhu operasi yang diizinkan.

Kelas Termal Tidak Sama dengan Peningkatan Suhu

Perbedaan ini sangat penting.

Misalnya:

Kelas F Peningkatansuhu 100 K

dan

Kelas H Peningkatansuhu 125 K

Kelas termal menggambarkan daya tahan termal dari sistem isolasi atau bahan. Batas kenaikan suhu transformator ditentukan secara terpisah sesuai dengan desain transformator, standar yang berlaku dan kondisi operasi.

Untuk transformator yang dicelupkan cairan, IEC 60076-2 secara khusus mengatasi persyaratan kenaikan suhu dan tes kenaikan suhu. ([IEC Webstore][2])

2. Kelas Termal vs Tingkat Isolasi Dielektrik

Ini adalah konsep yang paling penting dalam pemilihan isolasi transformator.

Oleh karena itu:

Kelas termal menentukan daya tahan termal sistem isolasi, sementara tingkat isolasi dielektrik menentukan kemampuan isolasi transformator untuk menahan tekanan listrik.

Meningkatkan nilai tegangan transformator tidak secara otomatis berarti bahwa kelas termal harus ditingkatkan.

Misalnya, transformator daya tegangan tinggi yang dicelupkan minyak dapat menggunakan sistem isolasi berbasis selulosa konvensional sementara memiliki tingkat isolasi dielektrik yang jauh lebih tinggi daripada transformator tipe kering tegangan rendah.

Ini adalah dua dimensi desain independen.

3. Cara Memilih Kelas Termal Transformer

Pemilihan kelas termal yang benar harus dimulai dengan kondisi operasi yang sebenarnya daripada hanya memilih kelas yang lebih tinggi.

Proses seleksi praktis dapat dibagi menjadi lima langkah.

Langkah 1: Identifikasi Jenis Transformer dan Sistem Isolasi

Pertama menentukan apakah transformator adalah:

• Mineral-minyak-tenggelam

• Ester-diisi

• Cast-resin jenis kering

• Jenis kering terisolasi udara

• Desain khusus lainnya

Sistem isolasi kemudian harus dievaluasi sebagai sistem lengkap daripada dengan nama satu bahan isolasi.

Transformator yang dicelupkan minyak

Transformator minyak mineral konvensional biasanya menggunakan sistem isolasi berbasis selulosa. Kertas termal yang ditingkatkan dan teknologi isolasi suhu tinggi lainnya juga dapat digunakan ketika desain membutuhkan kinerja termal yang lebih baik.

Untuk transformator yang menggunakan bahan isolasi suhu tinggi, IEC 60076-14 secara khusus menangani pertimbangan desain, pengujian dan pemuatan. ([IEC Webstore][2])

Oleh karena itu, lebih baik untuk menentukansistem isolasi lengkap dan kinerja termalnyaDaripada hanya mengatakan bahwa transformator minyak adalah "Kelas A".

Transformator jenis kering

Sistem isolasi Kelas F dan Kelas H banyak digunakan dalam transformator jenis kering modern.

Pilihan yang tepat tergantung pada:

• Suhu lingkungan

• Beban profil

• Kondisi pendinginan

• Peningkatan suhu yang dibutuhkan

• Persyaratan beban berlebihan

• Konstruksi sistem isolasi

• Lingkungan instalasi

Standar IEEE juga membedakan persyaratan transformator jenis kering dan pengujian dari persyaratan transformator yang dicelupkan cairan. ([IEEE Xplore][3])

4. Pertimbangkan Suhu Lingkungan dan Profil Beban

Suhu lingkungan adalah salah satu faktor yang paling penting dalam pemilihan transformator termal.

Transformator yang beroperasi secara terus menerus pada suhu sekitar 45°C memiliki margin termal yang jauh lebih sedikit daripada yang beroperasi pada 25°C, bahkan jika keduanya memiliki daya nominal yang sama.

Kondisi berikut harus diidentifikasi selama spesifikasi:

Beban harmonis pantas diperhatikan khusus. Rektifier, drive frekuensi variabel, inverter fotovoltaik dan beban elektronik daya lainnya dapat menghasilkan arus nonsinusoidal dan kerugian transformator tambahan.

IEEE C57.110 menyediakan metode untuk mengevaluasi kemampuan transformator saat memasok arus beban nonsinusoidal dan berlaku untuk transformator jenis cair dan kering dalam lingkupnya. ([IEEE Xplore][4])

5. Cara mengevaluasi suhu Hot-Spot yang berlikur

yangmelengkung suhu hot-spotlebih penting untuk penuaan termal daripada suhu berlikur rata-rata.

Konsep rekayasa yang disederhanakan adalah:

Suhu titik panas = Suhu lingkungan + komponen kenaikan suhu yang relevan + tunjangan titik panas

Namun, ini harustidakdiperlakukan sebagai perhitungan universal menggunakan satu gradien hotspot tetap.

Suhu hot spot yang sebenarnya tergantung pada:

• Konstruksi transformator

• Geometri berlikur

• Distribusi kerugian

• Metode pendinginan

• Tingkat beban

• Sirkulasi minyak atau sirkulasi udara

• Karakteristik termal dari sistem isolasi

IEEE memiliki panduan khusus untuk menentukan suhu titik paling panas dalam aplikasi transformator jenis cairan dan kering. Misalnya, IEEE C57.134 mengatasi metodologi untuk menentukan suhu titik panas yang paling panas dalam transformator jenis kering. ([IEEE Xplore][5])

Untuk transformator yang dicelupkan cairan, desain kenaikan suhu harus dievaluasi sesuai dengan persyaratan dan metode uji yang berlaku dari IEC 60076-2 atau persyaratan IEEE yang sesuai.

Pendekatan Teknik yang Lebih Baik

Alih-alih mengatakan:

45°C + 115 K + 8 K = 168°C → Kelas H diperlukan

Pendekatan rekayasa yang benar adalah:

Suhu lingkungan maksimum → profil beban → model termal transformator → naiknya suhu berlikur → suhu titik panas → kemampuan termal sistem isolasi → kehidupan layanan yang dibutuhkan

Jika suhu titik panas yang dihitung atau diuji berlebihan, solusi yang mungkin termasuk:

• Meningkatkan kapasitas transformator

• Mengurangi beban terus menerus

• Meningkatkan pendinginan

• Mengurangi kerugian

• Mengoptimalkan desain liburan

• Memilih sistem isolasi yang cocok

• Menggunakan teknologi isolasi suhu tinggi di mana dibenarkan

Oleh karena itu,Upgrade dari Kelas F ke Kelas H hanya satu solusi yang mungkin, bukan persyaratan otomatis.

6. Pertimbangkan Penuaan Termal dan Kehidupan Layanan

Isolasi transformator secara bertahap memburuk di bawah tekanan termal, listrik dan lingkungan.

Untuk banyak sistem isolasi konvensional, peningkatan suhu isolasi 10°C sering digunakan sebagaiaturan jempolUntuk menggambarkan penuaan termal yang dipercepat. Namun, penuaan isolasi yang sebenarnya tergantung pada sistem isolasi lengkap dan faktor-faktor seperti:

• suhu

• Kelembaban

• oksigen

• Bahan isolasi

• Kondisi minyak

• Beban profil

• Durasi operasi

Oleh karena itu, yang biasanya dikutip "Aturan 10°C" harus diperlakukan sebagai pendekatan rekayasa daripada persamaan seumur hidup universal.

Untuk aplikasi yang membutuhkan umur panjang, spesifikasi transformator harus menentukan profil beban yang diharapkan dan kondisi operasi daripada hanya membutuhkan kelas termal yang lebih tinggi.

7. Kapan Harus Anda Pertimbangkan Kelas Termal yang Lebih Tinggi?

Kelas termal yang lebih tinggi mungkin sesuai ketika transformator terkena kondisi termal yang menuntut.

Faktor khas termasuk:

Suhu lingkungan tinggi

Contohnya termasuk:

• Instalasi Gurun

• Lingkungan tropis

• Ruang listrik dengan ventilasi buruk

• Substasi Tertutup

• Substasi kontainer

Beban berlebihan yang sering

Jika transformator diharapkan beroperasi di atas beban nominal untuk periode yang signifikan, desain termal harus dievaluasi sesuai dengan profil beban aktual.

Beban harmonis

Drive industri, rectifier, pusat data, konverter energi terbarukan dan beban nonlinear lainnya dapat meningkatkan kerugian transformator dan pemanasan.

Pendinginan terbatas

Untuk transformator jenis kering, ventilasi ruangan yang tidak memadai dapat secara signifikan mempengaruhi suhu operasi aktual.

Persyaratan operasi khusus

Pertambangan, metalurgi, transit kereta api, energi terbarukan dan aplikasi lainnya mungkin membutuhkan desain termal dan isolasi yang disesuaikan.

Namun, kondisi ini tidak secara otomatis berarti bahwa Kelas H harus dipilih. Produsen harus mengevaluasi desain termal lengkap terlebih dahulu.

8. Kondisi Lingkungan Harus Tidak Dipecahkan oleh Kelas Termal Sendiri

Kesalahan umum lainnya adalah menganggap:

Lingkungan yang keras → Isolasi Kelas H

Ini tidak selalu benar.

Masalah lingkungan yang berbeda membutuhkan langkah-langkah rekayasa yang berbeda.

Misalnya, kelembaban tinggi mungkin membutuhkan perlindungan kelembaban yang tepat dan pilihan sistem isolasi, tetapi hanya berubah dari Kelas F ke Kelas H tidak secara otomatis memecahkan masalah.

Demikian pula, ketinggian tinggi mempengaruhi desain termal dan dielektrik, jadi harus dipertimbangkan secara terpisah daripada diperlakukan sebagai masalah kelas termal saja.

9. Pilih Tingkat Isolasi Dielektrik Secara Terpisah

Setelah desain termal telah ditetapkan, tingkat isolasi dielektrik transformator harus dipilih secara terpisah.

Proses dasarnya adalah:

Tegangan sistem → Tegangan tertinggi untuk peralatan (Um) → Koordinasi isolasi → AC menahan → impuls petir → Switching impulse jika berlaku

Untuk transformator tegangan menengah dan tinggi, parameter dielektrik penting dapat mencakup:

• Frekuensi daya menahan tegangan

• Impuls petir menahan tegangan (LI atau LIWV)

• Switching impulse tahan tegangan (SI atau SIWV), jika berlaku

• Koordinasi isolasi internal

• Pelepasan eksternal

• Jarak creepage

IEC 60076-3 secara khusus mencakup tingkat isolasi transformator, tes dielektrik dan clearance eksternal terkait. Oleh karena itu, ini adalah referensi yang jauh lebih tepat untuk bagian spesifikasi transformator ini daripada hanya mengutip seri IEC 60076 umum.

Pertimbangan aplikasi khas

Koneksi overhead-line

Koordinasi isolasi impuls petir sangat penting karena paparan tegangan berlebihan atmosfer.

Transformator yang terhubung dengan kabel

Lingkungan tegangan berlebihan berbeda dari koneksi overhead-line dan harus dinilai berdasarkan konfigurasi jaringan yang sebenarnya.

Transformator yang terhubung ke GIS

Fenomena transien cepat dan antarmuka transformator GIS yang sebenarnya mungkin memerlukan pertimbangan tambahan.

Hal yang penting adalah:

Kelas termal transformator tidak boleh digunakan sebagai pengganti koordinasi isolasi dielektrik.

10. Desain Termal dan Desain Dielektrik Harus Verifikasi Secara Terpisah

Spesifikasi transformator yang dirancang dengan baik harus berisi dua bagian independen.

Pemisahan ini membuat spesifikasi teknis jauh lebih jelas dan mengurangi risiko memilih sistem isolasi berdasarkan tegangan atau kelas suhu.

11. Uji dan Verifikasi Isolasi Transformer

Program uji juga harus dibagi menjadi verifikasi termal dan dielektrik.

Verifikasi termal

Tergantung pada jenis transformator dan standar yang berlaku, ini dapat mencakup:

• Uji kenaikan suhu

• Verifikasi kenaikan suhu berlikur

• Evaluasi suhu titik panas

• Penilaian kemampuan memuat

Untuk transformator yang dicelupkan cairan, IEC 60076-2 menyediakan kerangka kerja kenaikan suhu dan metode uji yang relevan. ([IEC Webstore][2])

Verifikasi dielektrik

Tergantung pada desain dan spesifikasi transformator, tes dapat mencakup:

• Uji tegangan yang diterapkan

• Uji tegangan induksi

• Uji impuls petir

• Pengukuran pelepasan parsial jika berlaku

• Pengukuran resistensi isolasi seperti yang ditentukan

Tes ini memverifikasi kinerja dielektrik dan tidak boleh bingung dengan verifikasi kelas termal.

Untuk transformator tipe kering, IEEE C57.12.91 menyediakan metode pengujian untuk pengujian yang ditentukan oleh standar transformator tipe kering yang berlaku dan spesifikasi pengguna. ([IEEE Xplore][6])

12. Contoh Pemilihan Isolasi Transformer Praktis

Alih-alih menggunakan aturan sederhana seperti "suhu tinggi = kelas H", pertimbangkan aplikasi lengkap.

Contoh 1: Transformator distribusi yang direndam minyak konvensional

Ketentuan:

• 10/0.4 kV

• Suhu lingkungan dalam kondisi standar yang ditentukan

• Beban yang stabil

• Isi harmonik rendah

• Aplikasi distribusi konvensional

Sistem isolasi berbasis selulosa konvensional mungkin cocok. Batas kenaikan suhu dan beban aktual harus ditetapkan sesuai dengan standar transformator yang berlaku dan desain produsen.

Contoh 2: Transformator resin cor dalam ruangan

Ketentuan:

• 10/0.4 kV

• Bangunan komersial

• Suhu lingkungan normal

• Variasi beban sederhana

Sistem isolasi Kelas F mungkin cocok jika desain termal lengkap memenuhi persyaratan kenaikan suhu dan umur layanan yang diperlukan.

Contoh 3: Transformator jenis kering di ruang listrik suhu tinggi

Ketentuan:

• Suhu lingkungan tinggi

• Ventilasi terbatas

• Variasi beban yang signifikan

• Peralatan produksi harmonik

Produsen harus terlebih dahulu menghitung kinerja termal aktual. Tergantung pada suhu titik panas yang dihasilkan dan umur layanan yang diperlukan, solusi dapat melibatkan kapasitas yang lebih tinggi, pendinginan yang lebih baik, kenaikan suhu yang berkurang, atau sistem isolasi suhu yang lebih tinggi.

Contoh 4: Transformator daya tegangan tinggi

Transformator tegangan tinggi melakukantidaksecara otomatis membutuhkan kelas termal yang lebih tinggi hanya karena tegangannya lebih tinggi.

Tingkat isolasi dielektriknya harus dipilih sesuai dengan tegangan sistem dan koordinasi isolasi, sementara desain termalnya harus ditentukan secara independen.

Ini adalah salah satu prinsip yang paling penting dalam pemilihan isolasi transformator.

13. Kesalahan Pemilihan Isolasi Transformer Umum

Kesalahan 1: Tegangan yang lebih tinggi berarti kelas termal yang lebih tinggi

Tidak benar.

Tegangan terutama mempengaruhi koordinasi isolasi dielektrik, sementara kelas termal berhubungan dengan daya tahan termal.

Kesalahan 2: Kelas H selalu lebih baik dari Kelas F

Tidak tentu.

Kelas termal yang lebih tinggi mungkin tidak perlu jika transformator sudah memenuhi persyaratan kenaikan suhu, hot-spot dan umur layanan yang diperlukan.

Pendekatan yang benar adalah memilih sistem isolasi sesuai dengan kondisi operasi aktual.

Kesalahan 3: Kelas termal secara langsung menentukan kenaikan suhu

Tidak benar.

Kelas termal dan batas kenaikan suhu transformator terkait tetapi tidak dapat ditukar.

Kesalahan 4: Suhu rata-rata melingkung sama dengan suhu hot-spot

Tidak benar.

Titik panas berlikur dapat secara signifikan lebih tinggi dari suhu berlikur rata-rata, dan suhu titik panas penting untuk mengevaluasi penuaan termal.

Kesalahan 5: Kelas termal yang lebih tinggi memecahkan setiap kondisi lingkungan yang keras

Tidak benar.

Kelembaban, debu, kabut garam, kontaminasi kimia dan ketinggian membutuhkan pertimbangan desain mereka sendiri.

Kesalahan 6: Kelas termal isolasi menentukan BIL

Tidak benar.

Tingkat isolasi impuls petir adalah bagian dari desain isolasi dielektrik dan harus dipilih sesuai dengan koordinasi isolasi dan standar transformator yang berlaku.

14. Daftar Cek Pemilihan Isolasi Transformer

Sebelum menyelesaikan spesifikasi transformator, periksa hal berikut:

15. Standar mana yang harus dipertimbangkan?

Standar yang tepat tergantung pada jenis transformator dan target pasar, tetapi berikut adalah referensi penting saat mengembangkan spesifikasi transformator internasional:

IEC 60085Evaluasi termal dan penentuan isolasi listrik. Ini menetapkan kriteria untuk mengevaluasi daya tahan termal dari bahan isolasi listrik dan sistem isolasi. ([IEC Webstore][1])

IEC 60076-2Transformator Daya, Bagian 2: Peningkatan Suhu untuk Transformator Tertenggelam Cairan. ([IEC Webstore][2])

IEC 60076-3Transformator daya, Bagian 3: Tingkat isolasi, tes dielektrik dan clearance eksternal.

IEC 60076-14Transformator daya yang dicelupkan cairan menggunakan bahan isolasi suhu tinggi. ([IEC Webstore][2])

Untuk proyek Amerika Utara, standar IEEE / ANSI yang berlaku harus dipilih sesuai dengan jenis transformator dan persyaratan proyek. Misalnya, IEEE C57.12.01 mencakup persyaratan umum untuk distribusi jenis kering dan transformator daya, sementara IEEE C57.110 mengatasi kemampuan transformator dengan arus beban nonsinusoidal. ([IEEE Xplore][3])

Kesimpulan

Pemilihan isolasi transformator yang akurat tidak boleh dikurangi hanya untuk memilihKelas A, B, F atau H.

Proses seleksi yang dapat diandalkan harus memisahkan dua pertanyaan desain independen:

Desain termal

Suhu lingkungan → Load → Pendinginan → Peningkatan suhu → Suhu titik panas → Penuaan termal → Kehidupan layanan

dan

Desain dielektrik

Tegangan sistem → Um → Koordinasi isolasi → AC menahan → LI / BIL → SI jika berlaku

Kelas termal menggambarkan daya tahan termal sistem isolasi, sementara tingkat isolasi dielektrik menentukan kemampuannya untuk menahan tekanan listrik. IEC 60085, IEC 60076-2, IEC 60076-3 dan IEC 60076-14 mengatasi bagian yang berbeda dari proses desain ini daripada menyediakan satu "kelas isolasi transformator" tunggal untuk setiap aplikasi. ([IEC Webstore][1])

Untuk pembeli dan insinyur transformator, pendekatan terbaik oleh karena itu bukan untuk memilih kelas isolasi tertinggi, tetapi untuk menentukan sistem isolasi, kinerja termal dan tingkat isolasi dielektrik sesuai dengan tegangan, beban, lingkungan dan kondisi layanan aktual.