Transformator Traksi Kereta Api: Cara Menentukan Ukuran Gardu Traksi 25 kV, Mengapa Sambungan V/v dan Scott Menentukan Ketidakseimbangan Jaringan, dan Apa yang Disyaratkan IEC 62695 / EN 50329

Jawaban terlebih dahulu: transformator traksi kereta api ditentukan oleh sistem traksi — tegangan, frekuensi, sambungan dan siklus kerja — jauh sebelum kVA masuk ke dalam pembahasan

Transformator traksi adalah unit yang mengubah listrik yang dibeli kereta api dari jaringan publik menjadi listrik yang benar-benar dapat digunakan oleh kereta: suplai tiga fasa 110 kV, 132 kV, 220 kV atau 33 kV yang diturunkan — atau dikonversi dari tiga fasa ke dua fasa — menjadi saluran kontak 25 kV 50 Hz, 25 kV 60 Hz atau 15 kV 16,7 Hz, atau menjadi bus DC 600–1.900 V dari sistem metro atau kereta ringan melalui penyearah. Ini bukan transformator distribusi dengan pelat nama kereta api: beban traksi bersifat satu fasa, intermiten, kaya harmonisa dan sering dibalik oleh pengereman regeneratif, dan standar yang mengatur unit ini — IEC 62695 / EN 50329 untuk instalasi tetap, IEC 60310 untuk peralatan di atas kereta, IEC 61378-1 dan IEEE 1653.1 untuk transformator penyearah — ada justru karena tugas-tugas tersebut melampaui desain distribusi biasa. Empat keputusan membentuk unit ini: sambungan (satu fasa, V/v, Scott), tegangan dan frekuensi sistem traksi, siklus kerja termasuk beban lebih dan regenerasi, dan kandungan harmonisa yang harus ditahan oleh belitan. Jika keempatnya benar, kVA akan mengikuti hampir secara otomatis; jika sistem traksi salah, tidak ada nilai kVA yang dapat menyelamatkan proyek.

Poin-poin utama

• Sistem traksi yang menentukan transformator, bukan sebaliknya. 25 kV 50 Hz, 25 kV 60 Hz, 15 kV 16,7 Hz dan keluarga DC (1,5 kV, 750 V) masing-masing menyiratkan inti, tingkat isolasi dan sambungan yang berbeda — lihat desain transformator 50 Hz vs 60 Hz dan cara memilih kelas tegangan.
• Beban traksi satu fasa membuat jaringan tiga fasa tidak seimbang. Pilihan sambungan (satu fasa, V/v, Scott), pergeseran fasa antara gardu induk yang berdekatan, dan bila perlu peralatan kompensasi adalah alat yang menjaga ketidakseimbangan tegangan urutan negatif tetap dalam batas kode jaringan — sebuah kendala rekayasa, bukan formalitas.
• Tugas traksi bersifat siklik, bukan tunak. Kereta berakselerasi, meluncur, mengerem dan meregenerasi, sehingga unit harus dispesifikasikan berdasarkan siklus beban dan kemampuan beban lebih, bukan berdasarkan satu angka kondisi tunak.
• Tugas penyearah dan konverter menambah harmonisa, dan kadang magnetisasi DC. Ketika saluran kontak adalah DC, atau ketika konverter statis berada di antara transformator dan kereta, aturan rugi harmonisa dan derating berlaku — mekanisme yang sama dengan pemanasan berlebih harmonisa pada transformator, dan keluarga yang sama dengan transformator penyearah untuk elektroliser.
• Kurang spesifikasi impedansi atau pendinginan adalah kesalahan klasik. Impedansi menetapkan arus gangguan dan regulasi tegangan; pendinginan dan kenaikan suhu menetapkan umur isolasi. Keduanya harus ada dalam spesifikasi teknis sebelum harga dikutip — lihat perhitungan arus hubung singkat dan metode pendinginan dan kenaikan suhu.

Di mana transformator traksi berada dalam rantai elektrifikasi?

Skema elektrifikasi kereta api adalah sebuah rantai: jaringan publik → gardu induk traksi → penyulang dan saluran kontak → kereta. Transformator biasanya muncul dua kali dalam rantai tersebut (sekali di gardu induk, sekali di kereta) dan kadang ketiga kalinya, sebagai autotransformator di sepanjang jalur. IEC 62695 mencantumkan keluarga instalasi tetap secara eksplisit, dan daftar tersebut adalah peta yang baik tentang apa yang sebenarnya diminta untuk dibangun oleh pabrik transformator.

Proyek yang menghadap pelanggan biasanya mencakup dua atau tiga peran ini dalam satu tender. Paket elektrifikasi koridor Afrika atau Asia biasanya berisi transformator traksi gardu induk, autotransformator sisi jalur atau transformator booster, dan unit bantu — dan dokumen tender akan menyebutkan IEC 62695, IEC 60076 dan IEC 60850 secara bersamaan. Membaca rantai sebelum membaca rating adalah yang membuat penawaran dapat dibandingkan: pemasok yang menawarkan unit gardu induk ketika tender meminta autotransformator sisi jalur telah menjawab pertanyaan yang berbeda.

Di atas kereta itu sendiri, karakter peralatannya berubah. Transformator traksi dan bantu di atas kereta diatur oleh IEC 60310 — jendela suhu yang lebih sempit, pendinginan paksa, persyaratan getaran dan guncangan yang berat, target berat, dan siklus kerja yang dibangun dari fase akselerasi, meluncur, pengereman dan regenerasi. Unit di atas kereta berada di luar cakupan IEC 62695, dan sebagian besar pembeli pabrik ekspor tidak mengadakannya; pelajaran yang berguna adalah bahwa fisika yang sama (siklus kerja, harmonisa, siklus termal) yang membentuk unit di atas kereta juga membentuk unit gardu induk, hanya dengan lebih banyak ruang dan tekanan berat yang lebih rendah.

Sistem traksi mana milik Anda? Tegangan nominal dan frekuensi menentukan segalanya di hilir

Enam sistem terstandardisasi mencakup sebagian besar panjang rute terelektrifikasi dunia, dan terbagi menjadi tiga keluarga AC dan tiga keluarga DC. Perbedaannya penting bagi transformator karena mengubah ukuran inti, desain isolasi, sambungan dan cara unit merespons beban.

Untuk sistem AC, tegangan pengenal transformator dan rentang tap harus dibangun di sekitar jendela tegangan suplai dan bukan hanya angka nominal. EN 50163 / IEC 60850 mendefinisikan tegangan suplai traksi sebagai sekumpulan batas — tegangan permanen terendah, tegangan non-permanen terendah, tegangan permanen tertinggi, tegangan non-permanen tertinggi, dan tingkat tegangan lebih jangka panjang untuk durasi singkat — yang dinyatakan sebagai nilai per-unit dari tegangan nominal. Untuk sistem 25 kV, pita permanen yang banyak dikutip kira-kira −24% hingga +10% dari nominal dengan lonjakan durasi singkat hingga sekitar +16%; untuk sistem 15 kV 16,7 Hz kira-kira −27% hingga +15%, dengan lonjakan lebih lanjut diizinkan untuk periode terbatas. Rancanglah sesuai tabel standar itu sendiri, bukan berdasarkan persentase yang diingat: angka tersebut menentukan rentang tap, tingkat isolasi dan seberapa jauh tegangan di ujung kereta diizinkan turun pada saat start simultan yang berat. Padanan Tiongkoknya adalah GB/T 1402 (*Railway applications — Supply voltages of traction systems*), selaras dengan IEC 60850.

Mengapa transformator distribusi tidak dapat melakukan tugasnya? Empat cara tugas traksi berbeda

Setiap tahun ada proyek yang mencoba menghemat biaya dengan memasang transformator distribusi standar ke dalam tugas traksi. Kadang berhasil untuk sementara, lalu salah satu dari empat mekanisme menyusul. Memahaminya adalah perbedaan antara penawaran yang kompetitif dan klaim garansi.

1. Bebannya satu fasa, sehingga jaringan melihat ketidakseimbangan

Jaringan tiga fasa yang membawa beban tiga fasa memiliki arus yang seimbang dan hampir tidak ada komponen urutan negatif. Beban traksi, secara paling sederhana, adalah beban satu fasa: satu pasangan fasa membawa seluruh arus traksi dan arus fasa lainnya hilang. Hasilnya adalah arus urutan negatif yang menghasilkan ketidakseimbangan tegangan urutan negatif pada titik sambungan bersama, kira-kira sebanding dengan rasio beban traksi terhadap kapasitas hubung singkat tiga fasa pada titik tersebut (pendekatan rekayasa orde pertama yang berguna — angka pastinya bergantung pada sudut impedansi dan pada bagaimana beban traksi terhubung). Kode jaringan membatasi ini: GB/T 15543 Tiongkok membatasi ketidakseimbangan tegangan urutan negatif pada titik sambungan bersama hingga 2% pada operasi normal dan 4% untuk periode singkat, dan batas serupa ada di sebagian besar kode jaringan Eropa dan Asia — panduan perbandingan standar internasional menunjukkan bagaimana keluarga GB, IEC dan IEEE membagi persyaratan ini dalam praktik. Transformator, sambungannya dan rotasi fasa antara gardu induk yang berdekatan adalah cara seorang perancang memenuhi batas tersebut.

2. Siklus bebannya keras dan berulang

Transformator distribusi melihat kurva beban harian yang berubah perlahan. Transformator traksi melihat satu kereta, lalu dua kereta, lalu lima, lalu tidak ada: puluhan MVA muncul dan menghilang dalam puluhan detik, ratusan kali sehari, dengan arus lebih setiap kali kereta mulai bergerak. Siklus termal karena itu berat secara desain, dan spesifikasi harus ditulis sebagai siklus beban dengan kelas beban lebih dan bukan sebagai rating kontinu tunggal. Ini persis wilayah yang dicakup oleh faktor beban dan kemampuan beban lebih, dan inilah alasan unit traksi sering dispesifikasikan dengan kemampuan beban lebih jangka pendek yang lebih tinggi daripada unit distribusi dengan rating nominal yang sama.

3. Pengereman regeneratif membalik aliran daya

Kereta modern mengerem secara elektrik dan mendorong energi kembali ke saluran kontak, di mana kereta lain dapat menyerapnya atau — jika gardu induknya reversibel — di mana energi tersebut dapat kembali ke jaringan. Pengereman regeneratif dapat mewakili bagian substansial dari energi traksi pada rute komuter (pengalaman industri; bagiannya sangat bergantung pada kepadatan jadwal dan gradien). Bagi transformator, itu berarti aliran daya balik pada orde besaran yang sama dengan aliran maju, dan transformator harus sama mampu di kedua arah. Ini juga menaikkan tegangan di ujung penerima, yang berinteraksi dengan rentang tap yang dibahas di bawah. Pada sistem DC, regenerasi adalah alasan gardu induk reversibel dengan inverter ada sama sekali — di mana penyearah dioda tidak dapat menerima daya kembali, energi pengereman dibakar dalam resistor di atas kereta.

4. Arusnya terdistorsi, dan tugas gangguannya dekat serta keras

Armada traksi AC telah menggunakan konverter thyristor yang dikendalikan sudut fasa dan, baru-baru ini, konverter IGBT dan SiC. Keduanya menghasilkan arus harmonisa; penyearah traksi DC menghasilkan harmonisa karakteristik yang besar (ke-5, ke-7, ke-11, ke-13 dan keluarganya). Arus harmonisa menaikkan rugi arus eddy belitan kira-kira sebanding dengan kuadrat orde harmonisa, memanaskan unit dari dalam, persis seperti yang dijelaskan dalam mengapa arus harmonisa memanaskan transformator secara berlebih. Pada saat yang sama transformator traksi berada secara elektrik dekat dengan bebannya: gangguan saluran kontak dan penyulang sering terjadi dibandingkan gangguan distribusi, sehingga unit harus dirancang untuk ketahanan hubung singkat berulang dan untuk inrush yang menyusul setiap energisasi ulang bagian saluran. Proteksi dispesifikasikan sesuai dengan itu — keluarga perangkat dan skema yang sama dengan perangkat proteksi transformator, dan jika unit terendam minyak, analisis gas terlarut berkala adalah pemeriksaan kondisi standar.

V/v, Scott, Woodbridge atau satu fasa: bagaimana memilih sambungan?

Sambungan adalah keputusan teknis pertama pada transformator traksi, dan didorong oleh kendala jaringan dan bukan oleh preferensi. Ada empat jawaban praktis.

Tiga aturan praktis mengikuti tabel tersebut. Pertama, sambungan adalah argumen kode jaringan, bukan argumen harga. Jika kapasitas hubung singkat pada titik sambungan bersama cukup besar relatif terhadap beban traksi, sambungan V/v biasanya dapat diterima dan merupakan jawaban yang lebih murah. Jika jaringan lemah atau batas ketidakseimbangan ketat, sambungan Scott layak mendapatkan premi harganya. Kedua, pergeseran fasa antara gardu induk adalah alat tingkat sistem: menghubungkan gardu induk traksi yang berdekatan ke pasangan fasa yang berbeda sehingga beban satu fasa mereka sebagian saling meniadakan di jaringan hulu adalah praktik standar, dan harus dikoordinasikan dengan pilihan sambungan dan bukan diserahkan kepada perancang gardu induk. Ketiga, grup vektor tetap penting untuk unit tiga fasa dan untuk pengaturan pembumian. Unit tiga fasa dengan primer delta menjebak harmonisa kelipatan tiga dan memisahkan sistem pembumian, yang merupakan penalaran yang sama seperti dalam grup vektor Dyn11 vs Yyn0, dan filosofi pembumian di sisi sekunder mengikuti desain sistem pembumian — dengan desakan khusus kereta api bahwa jalur arus balik dan tegangan sentuh adalah masalah keselamatan tersendiri, yang diatur oleh keluarga EN 50122.

Ketika beban traksi satu fasa besar relatif terhadap jaringan dan tidak ada sambungan yang dapat memperbaikinya, kompensasi ditambahkan — paling sering susunan Steinmetz dari elemen reaktif, atau kompensator statis. Sebagai pemasok transformator, ini berada di luar batas baterai unit Anda, tetapi ini mengubah apa yang harus Anda kutip: transformator kemudian mungkin diminta untuk membawa beban yang sengaja tidak seimbang, atau menerima tugas harmonisa dan reaktif yang dispesifikasikan.

Apa yang berubah dalam sistem autotransformator 2×25 kV?

Pada koridor yang lebih panjang, susunan klasik 1×25 kV — saluran kontak disuplai pada 25 kV, rel dan bumi sebagai balik — menabrak dinding jatuh tegangan: impedansi saluran dan impedansi balik membatasi seberapa jauh gardu induk dapat menjangkau dan seberapa besar daya yang dapat dibawa satu bagian. Jawaban standarnya adalah penyuplaian autotransformator (AT) 2×25 kV: saluran kontak dan penyulang khusus dipertahankan pada polaritas berlawanan relatif terhadap rel yang dibumikan, gardu induk traksi menyuplai pasangan tersebut pada tegangan saluran-ke-saluran yang lebih tinggi, dan autotransformator satu fasa yang ditempatkan di sepanjang jalur — umumnya di wilayah 8–15 km, sebagai angka pengalaman industri — memotong setengah impedansi efektif yang dilihat oleh beban.

Empat konsekuensi untuk spesifikasi:

• Autotransformator bukan transformator gardu induk. Ini adalah unit satu fasa yang terendam minyak, dalam praktiknya autotransformator 1:1 antara katenari dan penyulang dengan titik tengah terhubung ke rel, sehingga tegangan pengenal saluran-ke-salurannya adalah dua kali tegangan saluran-ke-rel sistem. Pita ratingnya biasanya jauh lebih kecil daripada unit gardu induk, tetapi harus dirancang untuk layanan luar ruangan tanpa pengawasan di sisi jalur dan untuk beban siklik.
• Setiap unit dalam rantai melihat tugas isolasi yang lebih tinggi. Karena kedua konduktor berada pada polaritas berlawanan, tegangan konduktor-ke-konduktor lebih tinggi daripada nilai fasa-ke-bumi yang dibatasi EN 50163 — hal yang standar itu sendiri tandai untuk sistem autotransformator. Koordinasi isolasi karena itu mengikuti aturan koordinasi isolasi kereta api dan bukan salinan desain fasa-ke-bumi.
• Penentuan ukuran transformator gardu induk berubah. Gardu induk yang disuplai AT mengirimkan daya traksi yang kira-kira sama pada setengah arus saluran kontak dan setengah jatuh tegangan, yang mengubah seberapa banyak koridor yang dapat dilayani satu gardu induk dan karena itu berapa banyak gardu induk — dan berapa banyak transformator — yang terkandung dalam tender.
• Jalur balik adalah hasil yang harus diserahkan. Penyuplaian AT ada sebagian untuk mengurangi arus di rel dan bumi, yang mengurangi interferensi dan tegangan sentuh. Susunan belitan transformator, pembumian titik tengahnya dan proteksi yang mendeteksi AT yang terganggu semuanya dispesifikasikan dengan mempertimbangkan hal itu.

Bagaimana menentukan ukuran transformator traksi? Enam langkah dari jadwal hingga pelat nama

Menentukan ukuran transformator traksi bukan soal memilih kVA dari tabel. Ini adalah studi sistem tenaga kecil yang dipadatkan menjadi spesifikasi, dan urutan di bawah ini adalah yang bertahan dari tinjauan independen.

1. Tetapkan sistem traksi dan susunan penyuplaian. Satu fasa atau AT 2×25 kV; jumlah jalur; jarak gardu induk; apakah gardu induk yang berdekatan digeser fasa melintasi pasangan fasa; apakah gardu induknya reversibel. Setiap keputusan berikutnya mewarisi pilihan-pilihan ini.
2. Bangun beban traksi bersamaan dari jadwal, bukan dari rating lokomotif. Transformator traksi ditentukan ukurannya berdasarkan kereta yang dapat berada di bagian tersebut pada saat yang sama — start simultan adalah kasus yang mengatur pada jaringan komuter dan metro, dan kasus angkutan berat bisa lebih buruk. Koridor dengan dua kereta barang panjang yang mendaki gradien yang sama bukan instalasi yang sama dengan koridor dengan satu KRL, meskipun energi tahunannya identik.
3. Konversi ke kVA dengan faktor daya yang tepat untuk armada. Lokomotif AC modern yang disuplai konverter beroperasi pada faktor daya tinggi di sebagian besar rentang operasinya, sedangkan armada yang dikendalikan sudut fasa yang lebih tua dan beban penyearah DC menarik daya reaktif dan mendistorsi arus. Pelat nama dalam kVA, sehingga faktor daya yang optimistis berarti transformator yang kurang ukurannya.
4. Terapkan siklus kerja dan kelas beban lebih alih-alih rating tunak. Nyatakan beban sebagai siklus — traksi, berhenti, regenerasi, tanpa beban — dan periksa respons termal selama siklus itu, termasuk suhu titik panas puncak. Ini adalah langkah di mana kelas pendinginan dan kenaikan suhu dan kelas isolasi dipilih, dan di mana hubungan klasik 10 °C-menggandakan-umur melakukan argumen komersial untuk Anda.
5. Pilih impedansi untuk pertarungan yang sebenarnya Anda hadapi. Untuk traksi AC yang disuplai langsung, impedansi biasanya dijaga moderat agar regulasi tegangan di sepanjang koridor tetap dapat diterima; untuk tugas penyearah, reaktansi komutasi adalah parameter desain yang dispesifikasikan yang membentuk riak DC dan arus gangguan. Dalam kedua kasus, nilainya berinteraksi dengan regulasi tegangan dan dengan operasi paralel jika dua unit berbagi bus. Unit traksi umumnya berada pada impedansi yang lebih tinggi daripada unit distribusi dengan rating yang sama (pengalaman industri; nilai tipikal ditetapkan per proyek oleh utilitas dan pemasok penyearah, bukan oleh aturan praktis).
6. Tambahkan lingkungan, redundansi dan tap, lalu pilih rating standar terdekat. Unit sisi jalur luar ruangan memerlukan perlindungan cuaca dan ambient desain yang sesuai dengan lokasi; ketinggian tinggi atau iklim panas memerlukan perlakuan derating ketinggian dan suhu; redundansi N-1 menentukan apakah pelat nama harus membawa beban bagian penuh sendirian; dan rentang tap changer harus mencakup jendela suplai EN 50163 ditambah jatuh tegangan koridor itu sendiri. Baru setelah itu Anda memilih rating standar — untuk transformator traksi gardu induk ini sering merupakan rating pesanan khusus dan bukan rating katalog.

Transformator penyearah untuk traksi DC: mengapa jumlah pulsa menentukan desain

Ketika saluran kontak adalah DC, transformator tidak menyuplai kereta secara langsung — ia menyuplai penyearah, dan jumlah pulsa penyearah menjadi ringkasan desain transformator. Untuk gardu induk 750 V DC atau 1.500 V DC, penyearah dioda atau thyristor dibangun sebagai grup 6 pulsa, 12 pulsa atau 24 pulsa. Menaikkan jumlah pulsa melakukan dua hal sekaligus: membatalkan harmonisa karakteristik orde terendah pada bus DC dan di sisi AC, dan membagi arus ke lebih banyak thyristor atau dioda, yang merupakan cara arus sangat tinggi ditangani pada tegangan rendah.

Konsekuensinya bagi transformator bersifat konkret:

• Dua atau empat sekunder dengan pergeseran fasa yang ditentukan. Grup 12 pulsa biasanya dicapai dengan dua sekunder yang digeser 30° (belitan bintang dan delta, atau extended-delta); grup 24 pulsa memerlukan empat set yang digeser atau dua grup 12 pulsa bertingkat. Susunan belitan, bukan kVA, adalah yang menghabiskan waktu perancang.
• Reaktansi komutasi adalah nilai yang dispesifikasikan. Ini men