energy is our business aspek design thermal pada...

111116-4-2009 Temperature Rise TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS

Aspek Design Thermal Pada Power Transformer

Himawan Samodra – Pauwels Trafo Asia

ENERGY IS OUR BUSINESS


Top Oil Rise: Top oil temperature – Ambient temperatureAverage Winding Rise: Mean winding temperature – Ambient temperatureHot Spot Rise: Temperature titik terpanas – Ambient temperatureWinding Gradient: Mean winding temperature - Mean oil temperatureHot Spot Factor: Hot spot gradient / Average winding gradientIEC merekomendasikan hot spot temperature mutlak = 98 deg C

Terminology

333336-4-2009 Temperature Rise TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONSMe

an w

inding

windingwinding

corecorecoolercooler

Botto

m oil

Top o

il

Hot s

pot

Mean

oil

Hf x gradient

Gradient

Gambar Identifikasi Temperature Rise

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


Code

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

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).

Huruf kedua menjelaskan bagaimana internal cooling medium bersirkulasi:N Natural convection di dalam winding dan pada external cooling systemF 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.Huruf ketiga menyatakan type dari external cooling medium:

A Air (udara)W Water (air)

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


Cooling Method – 1

OFWFOWODWFWater Forced flowForced & Directed

OFBFOAODAFAir Forced flowForced & Directed

OFBFOAOFAFAir Forced flowForced (pump)

--OFANAir Natural flowForced (pump)

OBFAONAFAir Forced flowNatural flow

ONOAONANAir Natural flowNatural flow

BS 171ANSI C57IEC 60076External coolingOil circulation


Cooling Method - 2

ONANAdalah 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.

ONAFAdalah 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-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

ODANSerupa 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).

ODAFFans 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.


Cooling Method - 4

ODWFPada 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

Menurut standard IEC 60076-2, standard temperature rise limit adalah sebagai berikut:Top oil temperature rise 60KWinding temperature rise 65K untuk ON cooling dan 70K untuk OD coolingWinding hot spot temperature rise 78KCore interior hot spot temperature rise 115KTank surface temperature rise 80K

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. Jika range ambient temperature melampai range di atas, maka diperlukan design khusus.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 = 50KAverage winding rise limit = 55KHot spot rise limit = 68K


Ambient Temperature

Average Yearly Temperature : misalnya 30 deg CRata-rata ambient temperature dalam satu tahunDigunakan sebagai acuan untuk perhitungan life time dari transformerSebagai acuan untuk menentukan nilai temperature riseIEC recommendation Average Temp + Hot Spot Rise < 98 deg CDesign dengan upgraded insulation paper untuk hot spot temperature lebih tinggi dari 98 deg C.

Average Temperature at the Hottest Month : misalnya 35 deg CRata-rata temperature di bulan terpanas.Digunakan sebagai acuan untuk menghitung hot spot temperature pada saat overload emergency loading.

Hottest Temperature at any one day : misalnya 40 deg CTemperature terpanas dalam satu tahunDigunakan sebagai acuan untuk mengitung winding temperature pada saat terjadi short circuit.


Factor Yang Mempengaruhi Thermal Design

Ambient TemperatureKetinggian Pemasangan TrafoSemakin 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.Solar RadiationTransformers 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.Tingkat Kebisingan dari Transformator


Oil Flow Type

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.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.Natural oil flow: Sirkulasi oil secara alami di dalam winding karena pebedaan temperature (thermosiphon effect).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 flowGambar axial oil flow

Arrangement Oil Flow di Dalam Winding


Pemasangan Oil flow Washer

Gambar zigzag oil flow

Tipe sumbatan dalam

Tipe sumbatan luar


Gradient ExponentAdalah nilai exponent untuk mengekstrapolasi nilai gadient sebagai fungsi dari

current density.

ON dengan axial oil flow = 1.60ON dengan zig zag oil flow = 1.20OD = 2.0

Oil Temperature ExponentAdalah nilai exponent untuk mengekstrapolasi nilai oil temperature sebagai fungsi

dari total losses.

ON = 0.80FA = 0.90OD = 1.00

Cooling Exponent


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).

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.

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.

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.

Hot Spot Factor


Efek Bending Stray Flux pada bagian atas Winding


Laju Penuaan Isolasi (Insulation Aging Rate)

4.001103.171082.511062.001041.581021.251001.00980.79960.63940.5092

Aging RateHot Spot Temperature (oC)


Thermal Aging – Contoh Kasus


Winding Temperature Indicator


Korelasi antara Arus dan Winding Gradient


Internal Cooling MediumMineral oil untuk class A insulation. Maximum oil temperature adalah 115 deg C. Applicable untuk kraft paper insulation ataupun thermally upgraded paper –insulation class A.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.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 MediumUdara (radiator atau air cooler).Air (water cooler). Water cooling system adalah sistem pendinginan yang sangat effektif, tidak memerlukan banyak ruang.

Cooling Medium


Degree of Polimerization

0%<20030%300

60-66%50090%800

100%>1000

Estimasi Sisa Umur Trafo (%)DP


Long Time Emergency Rating:120% dari nominal ratingMaximum top oil temperature tidak melebihi 100 deg CMaximum hot spot temperature tidak melebihi 115 deg CDurasi pembebanan antara 2 sampai 4 jam, tergantung pada time constant transformerBerdampak pada pengurangan life time dari trafo

Short Time Emergency Rating:150% dari nominal ratingMaximum top oil temperature tidak melebihi 115 deg CMaximum hot spot temperature tidak melebihi 130 deg CDurasi pembebanan antara 0.5 sampai 1.0 jam, tergantung pada time constant dari transformer.Berdampak pada pengurangan life time dari trafo

Panduan Emergency Over Load


Long Time Emergency Overload 120%

21.55116.1988.18144021.55116.1988.18120021.55116.1888.1796021.55115.9587.9448021.55114.4286.4124021.55111.3683.3512021.08108.2180.806021.55105.9377.923021.54104.5576.551521.48103.9876.061020.98102.8075.53519.55100.6375.21217.0097.1075.000

(deg C)(deg C)(deg C)(minute)Winding GradientHot Spot TempTop Oil TempLoading Time

30 deg CAmbient60 MVA 150/20kV PLN Standard Transformer


Short Time Emergency Overload 150%

28.79148.14110.71144028.79148.14110.71120028.80148.14110.7096028.79147.61110.1848028.80143.80106.3624028.80135.6898.2412028.80127.0589.616028.80120.7083.263028.79116.8379.401528.71115.3278.001027.76112.6076.51524.30107.2075.61217.0097.1075.000

(deg C)(deg C)(deg C)(minute)Winding GradientHot Spot TempTop Oil TempLoading Time

30 deg CAmbient60 MVA 150/20kV PLN Standard Transformer


Pemasangan Fibre Optic


Fibre Optic Monitoring


END

energy is our business aspek design thermal pada...

Documents