ENERGY IS OUR BUSINESS
Aspek Design Thermal Pada Power Transformer
Himawan Samodra – Pauwels Trafo Asia
6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
1
Terminology Top Oil Rise: Top oil temperature – Ambient temperature Average Winding Rise: Mean winding temperature – Ambient temperature Hot Spot Rise: Temperature titik terpanas – Ambient temperature Winding Gradient: Mean winding temperature - Mean oil temperature Hot Spot Factor: Hot spot gradient / Average winding gradient IEC merekomendasikan hot spot temperature mutlak = 98 deg C 6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
2
Gambar Identifikasi Temperature Rise
Hf x gradient
core
cooler Gradient
Hot spot factor umumnya berkisar 1.1 sampai 1.5 tergantung kostruksi winding. 6-4-2009
Temperature Rise
Hot spot
Mean winding
Top oil
Mean oil
Bottom oil
winding
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
3
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 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. 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 convection F Dengan forced convection 6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
4
Cooling Method – 1 Oil circulation
External cooling
IEC 60076
ANSI C57
BS 171
Natural flow
Air Natural flow
ONAN
OA
ON
Natural flow
Air Forced flow
ONAF
FA
OB
Forced (pump)
Air Natural flow
OFAN
-
-
Forced (pump)
Air Forced flow
OFAF
FOA
OFB
Forced & Directed
Air Forced flow
ODAF
FOA
OFB
Forced & Directed
Water Forced flow
ODWF
FOW
OFW
6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
5
Cooling Method - 2
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.
ONAF Adalah sistem pendingin ONAN yang dilengkapi dengan fans untuk mendorong udara ke dalam radiator. Fans digunakan untuk mendorong udara dari bawah ke atas (counterflow) 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.
6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
6
Cooling Method - 3
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).
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. 6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
7
Cooling Method - 4
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.
6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
8
Standard Temperature Rise Limit
Menurut standard IEC 60076-2, standard temperature rise limit adalah sebagai berikut: Top oil temperature rise Æ 60K Winding temperature rise Æ 65K untuk ON cooling dan 70K untuk OD cooling Winding hot spot temperature rise Æ78K Core interior hot spot temperature rise Æ115K Tank surface temperature rise Æ 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 = 50K Average winding rise limit = 55K Hot spot rise limit = 68K 6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
9
Ambient Temperature Average Yearly Temperature : misalnya 30 deg C Rata-rata ambient temperature dalam satu tahun Digunakan sebagai acuan untuk perhitungan life time dari transformer Sebagai acuan untuk menentukan nilai temperature rise IEC recommendation Æ Average Temp + Hot Spot Rise < 98 deg C 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 Rata-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 C Temperature terpanas dalam satu tahun Digunakan sebagai acuan untuk mengitung winding temperature pada saat terjadi short circuit. 6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
10
Factor Yang Mempengaruhi Thermal Design Ambient Temperature 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. 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. Tingkat Kebisingan dari Transformator 6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
11
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 celahcelah 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. 6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
12
Arrangement Oil Flow di Dalam Winding
Gambar axial oil flow 6-4-2009
Temperature Rise
Gambar zigzag oil flow TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
13
Pemasangan Oil flow Washer Tipe sumbatan luar
Tipe sumbatan dalam
Gambar zigzag oil flow 6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
14
Cooling Exponent Gradient Exponent Adalah nilai exponent untuk mengekstrapolasi nilai gadient sebagai fungsi dari current density. ON dengan axial oil flow = 1.60 ON dengan zig zag oil flow = 1.20 OD = 2.0 Oil Temperature Exponent Adalah nilai exponent untuk mengekstrapolasi nilai oil temperature sebagai fungsi dari total losses. ON FA OD
= 0.80 = 0.90 = 1.00
6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
15
Hot Spot Factor 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. 6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
16
Efek Bending Stray Flux pada bagian atas Winding
6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
17
Laju Penuaan Isolasi (Insulation Aging Rate) Hot Spot Temperature (oC)
Aging Rate
92
0.50
94
0.63
96
0.79
98
1.00
100
1.25
102
1.58
104
2.00
106
2.51
108
3.17
110
4.00
6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
18
Thermal Aging – Contoh Kasus
6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
19
Winding Temperature Indicator
6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
20
Korelasi antara Arus dan Winding Gradient
6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
21
Cooling Medium Internal Cooling Medium 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. 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 Medium Udara (radiator atau air cooler). Air (water cooler). Water cooling system adalah sistem pendinginan yang sangat effektif, tidak memerlukan banyak ruang. 6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
22
Degree of Polimerization
6-4-2009
DP
Estimasi Sisa Umur Trafo (%)
>1000
100%
800
90%
500
60-66%
300
30%
<200
0%
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
23
Panduan Emergency Over Load Long Time Emergency Rating: 120% dari nominal rating Maximum top oil temperature tidak melebihi 100 deg C Maximum hot spot temperature tidak melebihi 115 deg C Durasi pembebanan antara 2 sampai 4 jam, tergantung pada time constant transformer Berdampak pada pengurangan life time dari trafo Short Time Emergency Rating: 150% dari nominal rating Maximum top oil temperature tidak melebihi 115 deg C Maximum hot spot temperature tidak melebihi 130 deg C Durasi pembebanan antara 0.5 sampai 1.0 jam, tergantung pada time constant dari transformer. Berdampak pada pengurangan life time dari trafo 6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
24
Long Time Emergency Overload 120% 60 MVA 150/20kV PLN Standard Transformer
Ambient
30 deg C
Loading Time
Top Oil Temp
Hot Spot Temp
Winding Gradient
(minute)
(deg C)
(deg C)
(deg C)
0
75.00
97.10
17.00
2
75.21
100.63
19.55
5
75.53
102.80
20.98
10
76.06
103.98
21.48
15
76.55
104.55
21.54
30
77.92
105.93
21.55
60
80.80
108.21
21.08
120
83.35
111.36
21.55
240
86.41
114.42
21.55
480
87.94
115.95
21.55
960
88.17
116.18
21.55
1200
88.18
116.19
21.55
1440
88.18
116.19
21.55
6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
25
Short Time Emergency Overload 150% 60 MVA 150/20kV PLN Standard Transformer
Ambient
30 deg C
Loading Time
Top Oil Temp
Hot Spot Temp
Winding Gradient
(minute)
(deg C)
(deg C)
(deg C)
0
75.00
97.10
17.00
2
75.61
107.20
24.30
5
76.51
112.60
27.76
10
78.00
115.32
28.71
15
79.40
116.83
28.79
30
83.26
120.70
28.80
60
89.61
127.05
28.80
120
98.24
135.68
28.80
240
106.36
143.80
28.80
480
110.18
147.61
28.79
960
110.70
148.14
28.80
1200
110.71
148.14
28.79
1440
110.71
148.14
28.79
6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
26
Pemasangan Fibre Optic
6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
27
Pemasangan Fibre Optic
6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
28
Fibre Optic Monitoring
6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
29
END
6-4-2009
Temperature Rise
TRANSFORMING YOUR NEEDS INTO SOLUTIONS
30
