Panduan tentang Transformator Zig-Zag

 

Panduan ini memberikan ikhtisar komprehensif tentang konfigurasi belitan-tujuan khusus-transformator zigzag yang banyak digunakan untuk pengardean, mitigasi harmonik, peningkatan kualitas daya, dan konversi daya ac-dc dalam sistem kelistrikan modern. Panduan ini mencakup prinsip-prinsip dasar pengoperasian, karakteristik teknis, pertimbangan desain, perbandingan dengan skema pengardean alternatif, dan skenario penerapan terperinci termasuk pengardean netral sistem, pembatalan harmonik, dan sistem konversi daya terintegrasi. Panduan ini juga mencakup pertimbangan praktis untuk pemilihan, ukuran, perlindungan, dan kepatuhan terhadap standar yang relevan seperti IEEE C57.105 dan IEC 60076.

Sistem kelistrikan tiga-fasa modern sering kali beroperasi dengan transformator sekunder yang terhubung dengan delta, yang tidak memiliki titik netral alami untuk tujuan pengardean. Secara lebih luas, sistem tiga-fasa yang tidak dibumikan-baik dari konfigurasi delta atau sumber lainnya-menghadirkan tantangan operasional yang signifikan, termasuk tidak adanya referensi bumi yang ditentukan, risiko tegangan lebih sementara selama gangguan saluran-ke-bumi, dan kesulitan dalam deteksi dan lokalisasi kesalahan. Trafo zig-zag (juga dikenal sebagai trafo-bintang atau pembumian yang saling berhubungan) dikembangkan untuk mengatasi tantangan ini.

Trafo zig zag adalah trafo tujuan khusus dengan konfigurasi belitan yang setiap keluarannya merupakan jumlah vektor dua fasa yang diimbangi sebesar 120 derajat . Masing-masing bagian inti magnetik dibagi menjadi dua bagian belitan yang dililitkan dalam arah berlawanan, dan kumparan tersebut saling terhubung dalam berbagai fase untuk menciptakan efek pembatalan untuk arus seimbang sekaligus memungkinkan arus urutan nol mengalir bebas melalui koneksi netral.

Meskipun pengardean netral adalah aplikasi yang paling menonjol, transformator zig-zag telah berevolusi menjadi platform serbaguna yang memiliki banyak fungsi: menyediakan jalur impedansi rendah untuk arus gangguan pembumian, menekan harmonisa tripel, menyeimbangkan arus beban, dan berfungsi sebagai komponen integral dalam sistem konversi daya acdc terpadu.

 

 

 

Meskipun susunan internalnya mungkin tampak rumit, prinsip pengoperasiannya pada dasarnya diatur oleh hukum Ampere-keseimbangan magnetik antar belitan pada inti yang sama menentukan bahwa arus yang mengalir pada satu belitan harus disertai dengan arus yang sesuai pada belitan lain pada bagian tersebut.

2.2 Analisis Aliran Arus Dalam Kondisi Gangguan

Untuk memahami bagaimana-arus urutan nol diaktifkan, pertimbangkan gangguan saluran-ke-tanah pada satu fase dari sistem yang tidak dibumikan. Susunan belitan yang terhubung silang menciptakan jalur perambatan arus yang saling bergantung. Arus yang mengalir ke atas dari titik netral melalui belitan bawah fasa A melewati belitan atas fasa C ke sambungan jaringan. Hal ini menginduksi arus yang sesuai pada belitan bawah fase C, yang pada gilirannya merambat ke jaringan melalui fase B. Urutan tersebut terus melibatkan ketiga fase. Pengamatan kritisnya adalah semua arus pada belitan atas, belitan bawah, dan sambungan bumi berada dalam fase satu sama lain, sehingga jelas mengidentifikasinya sebagai arus{9}}urutan nol.

Jumlah arus urutan nol pada ketiga fase sama dengan total arus gangguan bumi. Dalam kondisi pengoperasian normal yang seimbang,-tegangan pergeseran fasa akan hilang, dan hanya sedikit arus menarik yang bersirkulasi. Hanya dalam kondisi tidak seimbang-seperti gangguan tanah atau beban tidak seimbang-arus urutan nol-dapat mengalir melalui transformator.

2.3 Karakteristik Impedansi

Dalam pengoperasian normal, transformator zig-zag menghadirkan impedansi tinggi terhadap arus urutan- positif dan negatif, sehingga pada dasarnya tidak terlihat oleh sistem kelistrikan selama kondisi seimbang. Namun, untuk arus urutan-nol, transformator mempunyai impedansi rendah, sehingga secara efektif menyebabkan hubungan pendek-netral ke ground untuk arus gangguan.

Parameter utama yang mengatur impedansi urutan nol meliputi jumlah putaran belitan, geometri inti, induktansi kebocoran antara dua bagian masing-masing bagian, dan sifat magnetik material inti. Kemampuan desain inti besi untuk membatasi aliran fluks harmonik rangkap tiga merupakan keunggulan unik lainnya yang membedakan konfigurasi zig-zag dari skema grounding lainnya.

2.4 Persyaratan Instalasi Penting

Kondisi-rangkaian terbuka-fasa seperti putusnya sekring atau sambungan longgar-mengganggu saling ketergantungan arus belitan. Dengan terputusnya satu fasa, rantai perambatan arus yang diperlukan untuk aliran urutan nol terputus, dan transformator pembumian tidak dapat lagi menghantarkan arus gangguan pembumian. Oleh karena itu, trafo pembumian harus terhubung secara kokoh ke bumi dan jaringan listrik tanpa perangkat peralihan mekanis yang dapat mengganggu kontinuitas secara tidak sengaja.

 

 

 

 

Dua jenis utamatransformator pentanahandigunakan dalam sistem tenaga listrik: trafo zig-zag (bintang-yang saling berhubungan) danwye-transformator delta. Pilihan di antara keduanya membawa implikasi biaya, ukuran, dan kinerja yang signifikan.

3.1 Ukuran dan Peringkat Daya

Susunan zig-zag menawarkan efisiensi yang jauh lebih tinggi dibandingkan konfigurasi wye-delta yang membumi. Pada transformator zig-zag, setiap belitan membawa tegangan yang lebih kecil dari saluran-ke-tanah-dengan faktor- mengaktifkan peringkat daya total yang lebih rendah:. Sebaliknya, transformator wye-delta yang diarde memerlukannyauntuk arus netral yang sama. Perbedaan substansial ini membuat trafo zig-zag kira-kira-sepertiga lebih kecil dalam peringkat kVA dibandingkan trafo wye-delta untuk kebutuhan arus netral yang identik.

Produsen melaporkan bahwa trafo zig-zag menawarkan biaya yang lebih rendah dan jejak fisik yang lebih kecil dibandingkan trafo wye-delta untuk spesifikasi impedansi urutan nol yang sama, menjadikannya pilihan utama di sebagian besar aplikasi pengardean.

3.2 Kinerja Harmonis

Transformator Wye-delta mensirkulasikan harmonisa tripel (ke-3, ke-9, ke-15, dst.) dalam belitan delta namun tidak menghilangkan arus netral yang dihasilkan oleh beban tidak seimbang. Sebaliknya, transformator Zig-zag mensirkulasikan kembali arus harmonisa ketiga dari sisi netral kembali ke sisi beban, sehingga secara aktif mengurangi harmonisa di sisi sekunder. Ini adalah mekanisme yang berbeda secara mendasar dari transformator delta-wye, di mana harmonisa tripel terperangkap dalam loop delta tertutup.

3.3 Nilai Waktu dan Tugas Termal

Kedua jenis ini berfungsi sebagai perangkat-berwaktu pendek, biasanya memiliki durasi kesalahan 10-detik atau 1-menit, bukan pengoperasian berkelanjutan. ANSI/IEEE Std. 32-1972 memerlukan rating berkelanjutan sebesar 3% untuk unit rating 10{14}}detik, yang berarti rating jangka pendek sama dengan sekitar 33 kali rating berkelanjutan. Bank dengan peringkat 1 menit memiliki peringkat berkelanjutan berkelanjutan sebesar 7%. Karakteristik tugas terputus-putus ini mengurangi ukuran dan biaya produksi dibandingkan dengan transformator tugas kontinu dengan kapasitas setara, meskipun manajemen termal yang hati-hati tetap penting.

 

 

 

 

4.1 Impedansi Urutan Nol-

Impedansi-urutan nol bisa dibilang merupakan parameter paling penting untuk desain transformator zig-zag. Ini menentukan besaran arus gangguan-tanah dan pengaturan tegangan dalam kondisi tidak seimbang. Impedansi transformator sendiri dapat membatasi arus gangguan ke tingkat yang diinginkan; alternatifnya, resistor atau reaktor eksternal yang dimasukkan ke dalam netral memberikan kemampuan pembatas tambahan.

4.2 Induktansi Kebocoran dan Tanpa-Kerugian Beban

Dua parameter desain yang paling penting adalah-kerugian tanpa beban (histeresis dan kerugian arus eddy) dan impedansi kebocoran. Kemajuan terkini dalam metode analisis dan pemodelan elemen hingga telah memungkinkan perhitungan induktansi kebocoran yang lebih tepat pada transformator zigzag, yang menguntungkan para peneliti dan perancang transformator dalam mengoptimalkan jenis ini. Reaktansi kebocoran memengaruhi perilaku pembatasan arus transformator selama gangguan dan kinerja pengaturan tegangan secara keseluruhan.

4.3 Peringkat-Waktu Singkat dan Berkelanjutan

Transformator pembumian beroperasi dengan rating{0}waktu pendek dan kontinu yang berbeda. Sirkuit dengan ketidakseimbangan beban minimal dapat dilayani oleh transformator yang dinilai terutama untuk gangguan berdurasi pendek-daripada operasi berkelanjutan. Rating berkelanjutan untuk unit 10-detik biasanya sebesar 3% dari rating waktu-pendek, sedangkan untuk unit 1-menit adalah 7%. Contoh ukuran menggambarkan prinsip ini: pada sistem 12,47 kV yang menyuplai arus gangguan ground sebesar 6000 A, transformator zig-zag memerlukan rating waktu singkat 24,9 MVA. Peringkat intermiten ini sesuai dengan peringkat berkelanjutan sekitar 0,75 MVA, yang memungkinkan bank menangani arus netral 180 A secara terus menerus.

 

 

 

5.1 Tantangan Perlindungan

Melindungi jaringan-tegangan menengah dengan transformator grounding zig-zag merupakan sebuah tantangan. Unit diferensial transformator mungkin kurang sensitif untuk mendeteksi gangguan pembumian internal pada sisi delta karena keterbatasan arus zig-zag yang melekat dikombinasikan dengan efek rasio transformator daya dan kontribusi arus kapasitif dari pengumpan MV. Unit Gangguan Bumi Terbatas dapat meningkatkan sensitivitas, meskipun gangguan fase-fase-tanah eksternal dengan saturasi transformator arus memerlukan perhatian khusus.

Unit perbandingan arah konvensional yang membandingkan sudut antara arus tanah dan arus netral tidak cocok. Sebaliknya, detektor kesalahan eksternal yang mengawasi unit diferensial transformator telah diusulkan sebagai pengganti yang efektif. Untuk proteksi arah netral, unit konvensional yang membandingkan tegangan netral dan sudut fasa arus secara tidak tepat mengaktifkan kondisi gangguan maju pada penyulang yang sehat; unit arah berdasarkan besaran impedansi-urutan nol menawarkan solusi yang lebih andal.

5.2 Standar yang Berlaku

Desain, pengujian, dan penerapan transformator zig{0}zag diatur oleh berbagai standar. IEEE C57.105-2019 menjelaskan koneksi dan konfigurasi transformator dalam sistem kelistrikan tiga-fasa, termasuk semua kombinasi delta dan wye, ground dan ungrounded, koneksi T-, zigzag, dan koneksi khusus lainnya, yang mencakup dua-transformator belitan dan otomatis. Standar relevan lainnya mencakup IEEE C57.32 untuk perangkat grounding netral, IEC 60076-25 untuk resistor grounding netral, dan IS 2026/IS 5553 untuk pengujian dan kepatuhan kinerja.

Penting untuk diketahui bahwa IEEE C57.105 pada awalnya ditulis untuk sistem distribusi dengan tegangan primer hingga 34,5 kV, meskipun prinsip-prinsipnya mencakup lebih luas.

 

 

 

6.1 Pembumian Netral Sistem

Penerapan trafo zig-zag yang utama dan paling luas adalah untuk membuat netral yang dibumikan untuk sistem tiga-fasa yang tidak dibumikan-khususnya transformator sekunder yang terhubung ke delta-dan bus generator atau inverter yang tidak dibumikan. Aplikasi ini memiliki beberapa fungsi penting: mengurangi tekanan tegangan lebih pada isolasi selama gangguan saluran tunggal-ke-tanah, menyediakan referensi arde yang ditentukan untuk relai proteksi, dan memungkinkan pengoperasian berkelanjutan selama kondisi tidak seimbang.

Dalam sistem sumber daya energi fotovoltaik dan terdistribusi, inverter tradisional sering kali tidak memiliki koneksi netral yang solid, sehingga menyebabkan ketidakseimbangan tegangan dan grounding yang tidak efektif. Trafo zig-zag membentuk jalur impedansi-rendah ke tanah, sehingga menstabilkan sistem dalam kondisi gangguan. Untuk jaringan-tegangan menengah dengan-pengardean resistansi tinggi, transformator pengardean zig zag dikombinasikan dengan resistor pengardean netral memberikan sensitivitas deteksi kesalahan tanpa memerlukan trip segera-konfigurasi yang menawarkan perlindungan kuat untuk proses industri penting.

 

Fungsi trafo Zig Zag :

Peternakan Angin

• Menyediakan titik netral buatan untuk-sistem pengumpulan tegangan menengah (misalnya, 35 kV) untuk mengaktifkan grounding
• Menawarkan jalur-impedansi rendah untuk gangguan saluran-ke-tanah, sehingga membatasi tegangan lebih
• Menekan harmonik tripel (ke-3, ke-9, dst.) dari konverter turbin angin
• Lebih kecil dan lebih ringan dari trafo grounding Δ-Y, ideal untuk angin lepas pantai

Sistem Tenaga Surya (PV).

• Menetapkan referensi grounding untuk sisi AC inverter di mana netral tidak tersedia
• Mengurangi ketidakseimbangan-fase dan harmonisa yang dihasilkan inverter-
• Meningkatkan kemampuan-naik tegangan-melalui (LVRT) rendah, mencegah pemutusan sambungan
• Dapat berfungsi sebagai induktor filter terintegrasi dalam sistem penyimpanan PV +

Perangkat interkoneksi yang fleksibel dalam jaringan distribusi modern telah menunjukkan daya tarik grounding transformator zig-zag pada sisi tegangan menengah- dan rendah-, mengungguli grounding reaktansi besar dan alternatif grounding titik tengah dalam perbandingan kinerja yang komprehensif.

6.2 Mitigasi Harmonik

Transformator zig-zag memainkan peran penting dalam mengurangi masalah arus netral yang disebabkan oleh beban non-linier. Sistem distribusi kabel tiga-fase empat-semakin mengalami kelebihan beban pada konduktor netral akibat menjamurnya pasokan daya-mode sakelar, penggerak-frekuensi variabel, dan beban elektronik non-linier lainnya. Primer yang terhubung ke delta-dari transformator distribusi konvensional hanya menghilangkan harmonisa tripel dalam kondisi beban seimbang sempurna; beban yang tidak seimbang masih menghasilkan arus netral.

Transformator zig-zag mengatasi masalah ini dengan menyediakan jalur-impedansi rendah untuk harmonisa tripel sekaligus mempertahankan impedansi tinggi untuk arus frekuensi fundamental. Memasangkan transformator delta-zigzag dengan delta-wye secara strategis dapat membatalkan harmonik ke-5 dan ke-7, sehingga secara efektif mencapai kinerja sistem 12-pulsa. Untuk sistem yang lebih besar, beberapa transformator zig-zag kecil yang ditempatkan di dekat beban menjaga arus netral tetap terlokalisasi, sehingga menghilangkan kebutuhan akan konduktor netral yang terlalu besar dan meningkatkan keseimbangan arus beban mendasar.

6.3 Konversi Daya AC-DC Terintegrasi

Di luar fungsi kualitas daya tradisional, transformator zig-zag telah diterapkan dalam sistem konversi daya ac-dc terpadu yang menggabungkan sumber daya jaringan (ac) dan fotovoltaik (dc). Induktansi kebocoran belitan transformator zig-zag dapat digunakan sebagai induktansi penambah terintegrasi dalam sistem ac-dc terpadu, mengurangi jumlah komponen dan volume sistem keseluruhan dibandingkan dengan desain konvensional dengan induktor terpisah. Pendekatan klasik dengan ekspresi induktansi kebocoran yang sesuai untuk belitan dengan geometri persegi panjang mendukung metodologi desain.

Aplikasi tingkat lanjut mencakup penyearah pulsa multi-pulsa-shunt zigzag ganda-tap rendah-harmonik tiga tahap, dengan konfigurasi transformator zigzag mendukung koreksi faktor daya dan redaman harmonik dalam sistem elektronik daya berkinerja tinggi.

6.4 Fasilitas Laboratorium dan Penelitian

Fasilitas penelitian-termasuk akselerator partikel dan sistem distribusi daya eksperimental-telah menerapkan transformator zig-zag sebagai solusi-efektif biaya untuk mengurangi arus netral yang disebabkan oleh beban elektronik non-linier. Biaya yang relatif rendah, kesederhanaan, kemudahan pemasangan pada sistem distribusi yang ada, dan kemampuan untuk menjaga arus netral tetap terlokalisasi membuat trafo zig-zag menarik dalam pengaturan eksperimental di mana kualitas daya berdampak langsung pada pengukuran dan kinerja peralatan.

 

 

 

 

7.1 Menentukan Ground-Persyaratan Kesalahan Saat Ini

Langkah pertama dalam mengukur transformator zig-zag adalah menentukan tingkat arus gangguan bumi-yang diinginkan. Insinyur desain harus memutuskan apakah akan hanya mengandalkan impedansi urutan nol internal transformator untuk pembatasan arus atau memasukkan resistor eksternal. Untuk sistem pentanahan-resistansi tinggi, arus gangguan biasanya dibatasi hingga 5–10 A untuk sistem-tegangan menengah. Sistem{10}}resistansi rendah mungkin mengizinkan arus gangguan sebesar 200 A atau lebih.

7.2 Menghitung Peringkat kVA

Untuk arus netral tertentu () dan saluran sistem-ke-tegangan tanah (), nilai kVA-waktu singkat untuk transformator zig-zag adalah:

Peringkat berkelanjutan juga harus ditentukan. Untuk perangkat berdurasi 10-detik, rating berkelanjutan sama dengan 3% dari rating waktu singkat, sedangkan perangkat berdurasi 1 menit memerlukan 7%.

7.3 Pertimbangan Penerapan

Tidak seperti trafo daya konvensional, trafo grounding adalah perangkat tugas-yang terputus-putus. Kemampuannya untuk menahan arus gangguan tinggi dalam jangka waktu singkat memungkinkan pengurangan biaya yang signifikan dibandingkan dengan transformator tugas kontinu-yang diberi nilai setara. Namun, perancang harus memverifikasi bahwa kemampuan menahan panas sesuai dengan waktu pembersihan yang diharapkan dari perangkat perlindungan hulu. Transformator pembumian dapat ditentukan untuk pembumian padat atau untuk digunakan dengan resistor pembumian netral eksternal-yang terakhir menawarkan fleksibilitas dalam mengendalikan besaran arus gangguan-tanah.

7.4 Instalasi dan Komisioning

Pemasangan di lapangan yang tepat sangat penting untuk pengoperasian yang andal. Kegiatan pra-pengoperasian harus mencakup pengujian ketahanan isolasi, verifikasi rasio belitan, dan validasi-pergeseran fasa. Integritas jalur netral harus diverifikasi secara menyeluruh-interupsi pada koneksi fase apa pun ke jaringan listrik dapat menyebabkan fungsi pembumian tidak berfungsi. Uji komisioning harus memvalidasi bahwa transformator memiliki impedansi urutan-nol yang rendah sambil mempertahankan impedansi urutan- positif dan-negatif yang tinggi dalam kondisi pengoperasian normal.

Untuk pengoperasian 50 Hz atau 60 Hz, penutup harus memenuhi persyaratan lingkungan untuk pemasangan di dalam atau luar ruangan, biasanya dengan penutup Tipe 3R berventilasi untuk penggunaan di luar ruangan.

 

 

 

8.1 Sensitivitas Kontinuitas Fase

Keterbatasan mendasar transformator zig-zag adalah ketergantungannya pada ketiga fase yang dihubungkan. Tidak adanya sambungan satu fasa ke jaringan listrik memutus perambatan arus belitan yang saling bergantung, menghilangkan kemampuan untuk menghantarkan arus gangguan bumi. Sensitivitas ini mengharuskan koneksi fase yang andal dan menentang pemasangan perangkat peralihan yang secara tidak sengaja dapat menciptakan kondisi-rangkaian terbuka.

Berbeda dengan perangkat pelindung mandiri, transformator pembumian zig-zag harus tetap beroperasi terus-menerus selama sumber daya tiga-fasa aktif. Jika trafo pembumian hilang, gangguan saluran tunggal-ke-tanah dapat menyebabkan tegangan fasa-ke-netral yang tinggi pada fasa yang tidak mengalami gangguan, dan ketidakseimbangan beban dapat mengakibatkan pergeseran netral dan tegangan lebih.

8.2 Saturasi Dengan Injeksi DC

Dalam sistem tenaga modern, injeksi arus DC-baik dari inverter-yang terhubung ke jaringan, gangguan geomagnetik, atau sumber lain-dapat menyebabkan kejenuhan inti transformator pembumian. Saturasi mengurangi efektivitas transformator dalam menyediakan jalur ground impedansi rendah dan dapat menyebabkan panas berlebih. Tindakan pencegahan khusus dalam desain atau pemantauan tambahan mungkin diperlukan untuk sistem dengan konten DC yang signifikan.

8.3 Kompleksitas Deteksi Kesalahan

Insinyur proteksi harus menyadari bahwa relai diferensial konvensional mungkin tidak memadai untuk deteksi-kesalahan tanah internal dengan transformator zig-zag. Skema perlindungan khusus-termasuk unit Gangguan Bumi Terbatas, detektor kesalahan eksternal, dan unit arah berbasis magnitudo-mungkin diperlukan untuk cakupan perlindungan yang komprehensif.

 

 

 

Transformator zig-zag adalah komponen pendukung yang penting untuk sistem kelistrikan tiga-fasa modern. Dengan menyediakan jalur impedansi-rendah untuk arus-urutan nol sekaligus menghadirkan impedansi tinggi ke komponen urutan- positif dan-negatif, mereka menjembatani kesenjangan antara sistem delta/wye yang tidak dibumikan dan manfaat keselamatan serta operasional dari operasi netral yang dibumikan.

Poin-poin penting yang dapat diambil meliputi:

• Konstruksi: Enam setengah-belitan bersilang-terhubung antar fase pada tiga-inti anggota badan
• Prinsip operasi: Ampere-keseimbangan putaran mengaktifkan-aliran arus urutan nol sambil membatalkan arus seimbang
• Aplikasi utama: Pembumian netral untuk sistem tiga-fasa yang tidak dibumikan (sistem-fed delta atau generator)
• Keunggulan kinerja: Efisiensi lebih tinggi dan ukuran lebih kecil dibandingkan transformator grounding wye-delta
• Aplikasi sekunder: Mitigasi harmonik (terutama harmonik triplen), penyeimbangan beban, konversi ac-dc terintegrasi
• Pertimbangan desain: Pengukuran berdasarkan peringkat kesalahan durasi-pendek (10 detik atau 1 menit), kapasitas 3%–7% terus menerus
• Persyaratan perlindungan: Diperlukan skema khusus; perlindungan diferensial konvensional mungkin tidak cukup
• Instalasi kritis: Koneksi fase padat ke jaringan penting; tidak ada perangkat switching di jalur grounding

Pemilihan antara trafo grounding zig-zag dan wye-delta pada akhirnya bergantung pada persyaratan spesifik sistem: kebutuhan pembatasan arus gangguan, anggaran dan ruang yang tersedia, persyaratan mitigasi harmonis, dan keinginan untuk ketersediaan daya tambahan. Untuk sebagian besar aplikasi pengardean, efisiensi transformator zig-zag yang unggul, tapak yang lebih kecil, dan kinerja harmonik yang lebih baik menjadikannya pilihan utama untuk instalasi baru.