Trafo Kereta Api: Jenis, Spesifikasi dan Aplikasinya

 

Perkenalan

Kereta api-kecepatan tinggi, trem, kereta ringan, metro, dan kereta api konvensional semuanya bergantung pada pasokan listrik yang andal untuk beroperasi dengan aman dan efisien. Di balik pasokan listrik ini terdapat serangkaian transformator kereta api khusus, yang dirancang untuk mengubah dan mendistribusikan tenaga listrik ke berbagai bagian sistem elektrifikasi kereta api. Diantaranya,daya tariktransformatormemainkan peran kunci. Mereka digunakan di gardu traksi kereta api dan, dalam beberapa aplikasi, di dalam kereta api untuk mengubah daya listrik menjadi tegangan dan konfigurasi yang dibutuhkan oleh sistem traksi kereta api. Pada artikel ini, kami menjelaskan apa itu trafo kereta api, cara kerja trafo traksi, jenis utama trafo kereta api, spesifikasi utamanya, dan cara memilih trafo yang tepat untuk sistem catu daya kereta api.

 

Apa itu trafo traksi kereta api?

Trafo kereta api dirancang untuk digunakan dalam sistem elektrifikasi kereta api untuk mengubah, mengisolasi, dan mendistribusikan tenaga listrik untuk kereta api dan peralatan terkait. Salah satu jenis utamanya adalah trafo traksi, yang menyuplai daya ke sistem traksi kereta api.

Trafo traksi kereta api, juga dikenal sebagai trafo daya traksi, biasanya mengubah-daya AC bertegangan tinggi dari jaringan utilitas atau jaringan catu daya kereta api menjadi tegangan yang sesuai untuk sistem traksi. Biasanya dipasang di gardu traksi kereta api, yang menyuplai daya ke sistem kereta api catenary di atas atau-ketiga. Beberapa trafo traksi juga dirancang untuk dipasang langsung pada kereta listrik.

Berbeda dengan trafo daya konvensional, trafo traksi harus menangani perubahan beban yang sering dan cepat. Akselerasi kereta api dapat menyebabkan peningkatan arus secara tiba-tiba, sedangkan pengereman dan perubahan pengoperasian kereta api dapat menghasilkan variasi beban listrik yang lebih jauh. Oleh karena itu, trafo traksi kereta api dirancang untuk pengoperasian yang andal di bawah beban dinamis, tekanan listrik, getaran, dan kondisi perkeretaapian berat lainnya.

Untuk pengenalan yang lebih luas tentang konstruksi dan komponen transformator traksi

lihat kamiIkhtisar Transformator Traksi.

 

3. Prinsip Kerja Trafo Kereta Api

Prinsip kerja trafo kereta api didasarkan pada induksi elektromagnetik. Di gardu induk traksi, transformator menurunkan daya-tegangan tinggi dari jaringan listrik atau jaringan catu daya kereta api ke tegangan yang sesuai untuk sistem traksi kereta api.

-Masukan Tegangan Tinggi: Listrik dari saluran udara atau sistem-rel ketiga disalurkan ke belitan primer trafo kereta api. Tegangan masukan dapat berkisar dari 15 kV hingga 25 kV, tergantung pada sistem perkeretaapian.

 

Transformasi Tegangan:Masukan-tegangan tinggi memberi energi pada belitan primer dan menciptakan perubahan medan magnet pada inti transformator. Melalui induksi elektromagnetik, medan magnet ini menginduksi tegangan yang lebih rendah pada belitan sekunder, dengan tegangan ditentukan oleh rasio belitan transformator.

 

Regulasi Tegangan: Trafo kereta api menyesuaikan tegangan agar sesuai dengan persyaratan sistem traksi kereta, biasanya menguranginya ke tingkat tegangan yang lebih rendah yang sesuai untuk peralatan penggerak kereta.

 

Pengiriman Daya: Tenaga yang diubah kemudian disalurkan ke sistem traksi, termasuk motor traksi atau peralatan onboard lainnya, sehingga kereta dapat beroperasi.

 

Perlindungan & Kontrol: Trafo kereta api harus menangani tegangan masukan yang tinggi dan kebutuhan beban yang bervariasi selama pengoperasian kereta. Perangkat pelindung seperti pemutus sirkuit dan sensor memantau suhu, tegangan, dan arus untuk memastikan pengoperasian yang aman dan andal.

 

Umpan Balik & Penyesuaian: Pemantauan berkelanjutan memungkinkan sistem merespons perubahan beban dan kondisi pengoperasian, membantu menjaga stabilitas kinerja dan mencegah kegagalan.

 

4. Jenis-Jenis Trafo Kereta Api

Ada beberapa jenis trafo kereta api, dan desainnya bervariasi tergantung pada sistem pasokan listrik kereta api, lokasi pemasangan, dan aplikasi. Jenis utamanya meliputi trafo traksi stasioner, trafo traksi onboard, trafo-otomatis, dan trafo traksi multi-sistem.

 

4.1 Trafo Traksi Stasioner

Trafo traksi stasioner dipasang di gardu induk di sepanjang jalur kereta api. Mereka mematikan daya-tegangan tinggi dari jaringan listrik atau jaringan pasokan listrik kereta api sebelum menyuplai listrik ke kereta melalui sistem catenary overhead atau rel ketiga.

Trafo ini biasanya digunakan dalam sistem elektrifikasi perkeretaapian untuk menyediakan pasokan listrik yang stabil dan andal untuk kereta listrik.

 

4.2 Trafo Traksi di Pesawat

Trafo traksi terpasang dipasang langsung pada kereta listrik atau lokomotif. Mereka memiliki desain yang ringkas dan ringan karena harus bergerak mengikuti kereta sambil menangani-kebutuhan daya yang tinggi dari sistem traksi.

Trafo ini menerima daya dari sistem overhead kereta api dan menurunkannya ke tegangan yang sesuai untuk traksi kereta dan peralatan listrik.

 

4.3 Traksi Otomatis-Trafo

Trafo-otomatis traksi digunakan dalam sistem pasokan listrik kereta api, khususnya pada aplikasi kereta api-tegangan tinggi dan-kecepatan tinggi. Mereka membantu menjaga tegangan yang dibutuhkan di sepanjang jalur kereta api dan dapat mengurangi penurunan tegangan dan kehilangan daya dalam jarak jauh.

Berbeda dengan trafo dua-belitan konvensional, trafo-otomatis menggunakan belitan umum untuk bagian sirkuit primer dan sekunder.

 

4.4 Transformator Traksi Multi-Sistem

Transformator traksi multi-sistem dirancang untuk kereta listrik yang beroperasi melintasi jaringan kereta api dengan sistem elektrifikasi berbeda. Mereka dapat mengakomodasi tegangan dan frekuensi pasokan yang berbeda, sehingga kereta api dapat beroperasi melintasi wilayah atau negara dengan standar daya kereta api yang berbeda.

 

4.5 Transformator untuk Sistem Traksi AC dan DC

Trafo traksi kereta api juga dapat diklasifikasikan menurut jenis catu daya kereta api.

Trafo traksi AC digunakan dalam sistem elektrifikasi kereta api AC, termasuk banyak jaringan kereta api-jarak jauh dan-kecepatan tinggi. Mereka menurunkan tegangan AC yang masuk ke tingkat yang dibutuhkan oleh sistem traksi kereta.

Sistem traksi DC biasanya digunakan untuk kereta metro, trem, dan kereta api pinggiran kota. Dalam sistem ini, trafo umumnya digunakan bersama dengan penyearah untuk mengubah daya AC yang masuk menjadi daya DC yang dibutuhkan oleh sistem perkeretaapian.

Pilihan trafo kereta api tergantung pada sistem elektrifikasi kereta api, tegangan dan frekuensi, jenis pemasangan, kebutuhan kereta api, dan kondisi pengoperasian.

 

5. Aplikasi Trafo Traksi Kereta Api

Trafo traksi kereta api terutama digunakan dalam sistem kereta api berlistrik untuk menyediakan daya yang andal untuk kereta api dan peralatan kereta api terkait. Penerapannya bervariasi menurut jenis perkeretaapian, kereta api, dan sistem elektrifikasi.

 

6. Desain dan Spesifikasi Trafo Traksi Kereta Api

Desain trafo traksi bergantung pada sistem elektrifikasi kereta api, jenis pemasangan, level tegangan, kebutuhan daya, dan kondisi pengoperasian. Dibandingkan dengan trafo daya standar, trafo kereta api harus tahan terhadap perubahan beban yang sering terjadi, getaran mekanis, tekanan listrik, dan kondisi pengoperasian yang menuntut.

 

6.1 Inti dan Belitan

Inti transformator menyediakan jalur-keengganan rendah untuk fluks magnet antar belitan. Material inti-berkualitas tinggi dan konstruksi yang kokoh membantu trafo mempertahankan kinerja yang andal di bawah beban kereta api yang berfluktuasi.

Gulungan dirancang sesuai dengan voltase dan peringkat daya yang diperlukan. Bahan konduktor dan sistem isolasi berkualitas tinggi-digunakan untuk memberikan kekuatan mekanik dan isolasi listrik yang diperlukan untuk aplikasi perkeretaapian.

 

6.2 Tegangan dan Frekuensi

Spesifikasi trafo traksi bergantung pada sistem catu daya kereta api. Tingkat pasokan kereta api yang umum meliputi:

• 15 kV, 16,7 Hz AC - digunakan di beberapa jaringan kereta api Eropa.
• 25 kV, 50/60 Hz AC - banyak digunakan untuk elektrifikasi kereta api.
• Sistem traksi 1,5 kV DC dan 3 kV DC - digunakan di beberapa jaringan kereta api perkotaan dan konvensional.

Tegangan keluaran dipilih sesuai dengan kebutuhan sistem traksi dan peralatan listrik hilir.

 

6.3 Peringkat Daya

Peringkat trafo traksi biasanya ditentukan dalam kVA atau MVA dan bergantung pada kereta, jaringan kereta api, dan beban yang diharapkan. Aplikasi yang berbeda mungkin memerlukan tingkat daya yang berbeda, mulai dari unit yang lebih kecil untuk kereta ringan dan trem hingga trafo-berkapasitas lebih tinggi untuk-kereta berkecepatan tinggi dan-sistem kereta api tugas berat.

Trafo juga harus dirancang agar tahan terhadap kelebihan-jangka pendek dan perubahan beban yang cepat selama akselerasi, pengereman, dan pengoperasian normal kereta.

 

6.4 Pendinginan dan Konstruksi

Trafo traksi dapat menggunakan metode pendinginan yang berbeda tergantung pada instalasi dan kebutuhan daya.

Trafo-terendam oli menggunakan cairan isolasi untuk pendinginan dan isolasi.

Trafo tipe-kering menggunakan udara untuk pendinginan dan bahan insulasi padat, sehingga cocok untuk aplikasi yang tidak memerlukan oli.

Untuk aplikasi di atas kapal, trafo juga harus memenuhi persyaratan ruang dan berat yang ketat. Tergantung pada desain kereta, trafo dapat dipasang di ruang mesin, di bawah lantai, di area-lantai rendah, atau di atap.

 

6.5 Pengubah Keran dan Pengaturan Tegangan

Pengubah tap dapat digunakan untuk mengatur tegangan transformator sesuai dengan kebutuhan sistem tenaga kereta api. Tergantung pada aplikasinya, trafo traksi dapat menggunakan-pengubah tap beban (OLTC) atau pengubah tap-tanpa beban.

OLTC dapat menyesuaikan voltase saat trafo tetap diberi energi, sedangkan pengubah tap{0}}tanpa beban memerlukan trafo untuk diputuskan sambungannya sebelum posisi tap diubah.

 

6.6 Efisiensi dan Kerugian Energi

Trafo traksi dirancang untuk efisiensi tinggi karena beroperasi pada kondisi beban yang sering dan berubah. Kerugian energinya terutama mencakup kerugian inti dan kerugian beban.

• Kerugian inti: Terutama disebabkan oleh histeresis dan arus eddy pada inti transformator. Rugi-rugi ini relatif stabil ketika trafo diberi energi.
• Kerugian beban: Terutama disebabkan oleh hambatan belitan dan meningkat seiring dengan kuadrat arus beban.
• Kerugian lainnya: Rugi-rugi nyasar, rugi-rugi dielektrik, dan daya yang dikonsumsi oleh peralatan pendingin juga dapat berkontribusi terhadap rugi-rugi total.

Efisiensi dan kerugian aktual bergantung pada desain transformator, daya pengenal, material, metode pendinginan, dan beban pengoperasian. Oleh karena itu, efisiensi transformator dan nilai kerugian harus dievaluasi sesuai dengan persyaratan spesifik proyek dan standar yang berlaku.

 

6.7 Perlindungan dan Pengujian

Perlindungan yang andal sangat penting karena trafo traksi beroperasi di bawah beban listrik dan dinamis yang tinggi. Fungsi perlindungan dan pemantauan yang umum meliputi:

• Perlindungan arus berlebih
• Perlindungan tegangan lebih
• Pemantauan suhu
• Pemantauan isolasi
• Perlindungan kesalahan tanah

Pengujian trafo traksi dilakukan untuk memverifikasi kinerja listrik, kekuatan isolasi, kinerja suhu, dan keandalan keseluruhan sebelum trafo dioperasikan.

Spesifikasi dan peringkat transformator traksi akhir harus ditentukan sesuai dengan sistem tegangan kereta api, frekuensi, kebutuhan daya, kondisi pemasangan, metode pendinginan, dan standar yang berlaku.

 

6.8 Tantangan Desain Utama

Trafo traksi kereta api perlu menyeimbangkan beberapa persyaratan, antara lain:

Kekuatan tinggi: Menangani beban yang tinggi dan berubah dengan cepat.

Manajemen termal: Menghilangkan panas dalam kondisi pengoperasian yang berat.

Kekuatan mekanik: Tahan getaran dan tekanan mekanis.

Kekompakan: Memenuhi batasan ruang dan berat, terutama untuk aplikasi di dalam pesawat.

Keandalan: Pertahankan pengoperasian yang stabil dengan perawatan minimum.

 

7. Bagaimana Cara Memilih Trafo Kereta Api?

Pemilihan trafo kereta api yang tepat bergantung pada sistem tenaga kereta api, kebutuhan beban, kondisi pemasangan, dan standar yang berlaku. Sebelum melakukan pemesanan, penting untuk mengonfirmasi spesifikasi utama berikut.

 

7.1 Nilai Daya dan Tegangan

Trafo harus mempunyai kapasitas yang cukup untuk menangani beban kereta api yang diharapkan, termasuk beban puncak dan beban perubahan selama pengoperasian. Nilai daya yang diperlukan dan-tingkat tegangan tinggi harus ditentukan sesuai dengan sistem pasokan listrik kereta api.

SCOTECH dapat menyediakan transformator dengan daya terukur hingga 100 MVA dan tegangan tinggi terukur hingga 132 kV, dengan peringkat khusus tersedia sesuai dengan kebutuhan proyek.

 

7.2 Persyaratan Koneksi dan Fase

Sambungan trafo harus sesuai dengan sistem traksi kereta api dan konfigurasi catu dayanya. Aplikasi perkeretaapian yang berbeda mungkin memerlukan pengaturan fasa dan sambungan belitan yang berbeda.

Opsi koneksi yang tersedia meliputi:

• YN, d11
• YN,d11,d5
• V₀V₀
• Scott-terhubung (3 fase/2 fase)
• Leblanc-terhubung (3 fase/2 fase)
• Woodbridge-terhubung (3 fase/2 fase)

 

7.3 Isolasi dan Media Pendingin

Pilihan media isolasi dan pendingin bergantung pada lingkungan pemasangan, persyaratan kinerja, dan spesifikasi proyek.

SCOTECH dapat memberikan pilihan berbeda, termasuk FR3, minyak mineral, silikon, hidrokarbon, dan minyak nabati.

Sistem pendingin juga dapat dikonfigurasi sesuai dengan rating transformator dan aplikasinya, dengan tersedia radiator baja-anti karat atau galvanis.

 

7.4 Tangki dan Perlengkapannya

Tangki dan penutup trafo harus memberikan kekuatan mekanik dan perlindungan yang cukup untuk komponen internal. Bergantung pada kebutuhan proyek, SCOTECH menawarkan tangki dan penutup baja ringan atau baja tahan karat-.

Aksesori tambahan juga dapat dikonfigurasi, termasuk:

• Relai Buchholz
• Transformator arus (CT)
• Pengubah ketukan saat-muat (OLTC)
• Kotak Marshall
• Indikator suhu belitan
• Aksesori pemantauan dan perlindungan lainnya

 

7.5 Impedansi dan Persyaratan Khusus

Impedansi transformator memengaruhi pengaturan tegangan dan-kinerja hubung singkat, sehingga harus dipilih sesuai dengan kebutuhan sistem perkeretaapian.

SCOTECH mendukung impedansi khusus dan dapat memberikan pelindung elektrostatis bila diperlukan. Parameter trafo lainnya juga dapat disesuaikan sesuai dengan spesifikasi proyek.

 

7.6 Standar dan Pengujian

Trafo kereta api harus dirancang dan diuji sesuai dengan standar yang disyaratkan untuk proyek dan pasar tertentu. SCOTECH merancang transformator sesuai dengan IEC, ANSI/IEEE, NEMA, CSA, dan standar relevan lainnya yang berlaku.

Sebelum memilih trafo kereta api, pastikan peringkat daya, voltase, frekuensi, sambungan, insulasi dan media pendingin yang diperlukan, impedansi, aksesori, kondisi pemasangan, dan standar yang berlaku. Memberikan rincian ini kepada produsen trafo membantu memastikan bahwa desain akhir sesuai dengan sistem tenaga kereta api dan persyaratan pengoperasian.