Proses Penggulungan Belitan (Kumparan) Transformator — Penjelasan Rinci

1. Peran Penggulungan dalam Pembuatan Transformator

Penggulungan (kumparan) adalah rangkaian listrik dari transformator dan, bersama dengan inti, membentuk komponen inti. Apakah sebuah transformator beroperasi dengan aman, andal, dan efisien sangat bergantung pada kualitas penggulungannya. Kualitas penggulungan tidak hanya memengaruhi kinerja listrik seperti impedansi, rugi-rugi, dan kenaikan suhu, tetapi juga secara langsung menentukan umur isolasi dan ketahanan terhadap arus hubung singkat.

Penggulungan adalah operasi pusat dalam pembuatan kumparan. Ini sama sekali bukan sekadar "melilitkan beberapa lilitan kawat" — ini adalah proses pembuatan yang presisi yang melibatkan pemilihan konduktor, struktur isolasi, tegangan penggulungan, transposisi, penekanan, pengeringan, dan lain-lain. Untuk tingkat tegangan, kapasitas, dan struktur yang berbeda, teknik telah mengembangkan beberapa bentuk dan proses penggulungan yang berbeda.

2. Komposisi dan Klasifikasi Dasar Penggulungan

2.1 Komposisi Penggulungan

Penggulungan transformator terdiri dari elemen-elemen dasar berikut:

2.2 Klasifikasi Belitan Berdasarkan Struktur

Dalam bidang teknik, belitan transformator terutama dibagi menjadi dua kategori besar:

1. Belitan lapis (silinder): Konduktor dililitkan lapis demi lapis ke arah radial, dengan lapisan-lapisan dipisahkan oleh isolasi. Strukturnya sederhana, terutama digunakan untuk transformator kapasitas kecil dan menengah.
2. Belitan piringan (panci): Belitan dibagi sepanjang arah aksial menjadi beberapa "piringan" (panci), yang masing-masing terdiri dari sejumlah lilitan. Piringan-piringan dipisahkan oleh balok penyekat isolasi yang membentuk saluran. Digunakan untuk transformator kapasitas besar dan tegangan tinggi.

Belitan piringan lebih lanjut dibagi menjadi jenis kontinu, selang-seling (piringan selang-seling), berpelindung dalam (selang-seling), heliks, dan foil.

3. Persiapan Sebelum Penggulungan

Penggulungan tidak pernah hanya "sekadar melilitkan kawat"; persiapan sebelumnya menentukan kualitas hasil akhir.

3.1 Pemeriksaan Konduktor dan Material Isolasi

• Konduktor:
• Periksa material (tembaga elektrolitik standar), resistivitas (tembaga ≤ 0,017241 Ω·mm²/m pada 20°C), dan toleransi diameter/ukuran.
• Periksa ketebalan, keseragaman, dan kekuatan dielektrik isolasi (lapisan pernis atau lilitan kertas). Untuk kawat yang dibungkus kertas, periksa bahwa pita kertas dililitkan dengan rapat dan bebas dari kerusakan.
• Periksa permukaan konduktor untuk mencari bintil, goresan, oksidasi, dan isolasi yang hilang — cacat konduktor adalah penyebab terbesar hubung singkat antar lilitan.
• Material isolasi:
• Kertas isolasi, papan tekan, silinder, dan spacer harus diperiksa kekuatan dielektrik, kekuatan mekanik, dan kadar airnya.
• Kadar air dan kebersihan material harus dapat diterima, jika tidak akan memengaruhi pengeringan berikutnya dan kekuatan listrik.

3.2 Persiapan Mesin Penggulung

Penggulungan umumnya dilakukan pada mesin penggulung. Jenis-jenis umum:

• Mesin penggulung horizontal: Sumbu penggulungan horizontal, cocok untuk lilitan kapasitas kecil/sedang dan lilitan cakram.
• Mesin penggulung vertikal: Sumbu penggulungan vertikal, nyaman untuk lilitan tersegmentasi dan kontrol ketegangan konduktor dari lilitan kontinu/interleaved yang kompleks; cocok untuk lilitan tegangan tinggi berukuran besar.

Mesin penggulung harus menyediakan: kecepatan spindel yang dapat disesuaikan, kontrol ketegangan konstan, penghitung lilitan otomatis, pengembalian/penggulungan ulang, perangkat penekan, dan stasiun pengelasan/pembungkusan tambahan.

3.3 Pentingnya Kontrol Ketegangan

Selama penggulungan, konduktor harus dikenai ketegangan yang konstan dan sesuai:

• Ketegangan terlalu rendah: Kumparan menjadi longgar dan berukuran lebih besar, dengan kekuatan mekanik yang tidak memadai; rentan terhadap deformasi atau perpindahan selama operasi, dan memiliki kemampuan tahan hubung singkat yang buruk.
• Ketegangan terlalu tinggi: Konduktor menjadi tertarik, penampangnya berkurang, hambatan DC meningkat, dan rugi-rugi naik; isolasi juga dapat rusak.
• Fluktuasi ketegangan menyebabkan kerapatan yang tidak merata antar lilitan dan kumparan menjadi elips.

Oleh karena itu, mesin penggulung modern menggunakan perangkat pay-off ketegangan konstan (misalnya, batang ketegangan, rem bubuk magnetik), dengan spesifikasi ketegangan yang ditetapkan sesuai dengan penampang dan material konduktor.

4. Proses Penggulungan Lapisan (Silinder)

Ini adalah metode yang paling mendasar dan paling banyak digunakan.

4.1 Langkah-langkah Penggulungan

1. Pasang silinder isolasi: Pasang silinder isolasi yang telah dirancang (atau silinder kertas) pada cetakan/mandrel penggulungan. Jika lilitan akan langsung diselipkan ke kaki inti, lilitan dapat digulung langsung pada isolasi inti.
2. Ulur kawat: Arahkan kawat dari spool pay-off melalui perangkat ketegangan dan rol panduan ke posisi penggulungan. Konduktor harus halus dan bebas dari puntiran.
3. Penggulungan: Nyalakan mesin penggulung (manual atau otomatis) dan gulung lapis demi lapis sesuai dengan jumlah lilitan yang dirancang. Setelah setiap lapisan, letakkan isolasi lapisan (misalnya kertas kabel, papan tekan) dan sisipkan spacer/blok saluran (untuk membentuk saluran aksial atau radial).
4. Kontrol lilitan: Gunakan penghitung untuk mengontrol secara tepat jumlah lilitan per lapisan dan total lilitan. Kesalahan harus memenuhi persyaratan desain (biasanya 0 hingga +1 lilitan).
5. Perlakuan ujung: Perkuat isolasi pada awal dan akhir setiap lapisan, dan pasang cincin ujung di kedua ujung lilitan.
6. Kabel sadap: Jika lilitan memerlukan pengubah sadap, keluarkan kabel sadap pada lilitan yang sesuai dan bungkus dengan isolasi yang tepat.
7. Penekanan dan pembentukan: Setelah penggulungan, bentuk (koreksi keovalan, perluas), tekan (kompresi aksial), dan keringkan awal lilitan sehingga dimensi dan kerapatannya memenuhi persyaratan.

4.2 Titik Kontrol Utama

• Isolasi lapisan tidak boleh salah posisi atau terlipat.
• Kerapatan antar lilitan harus seragam; permukaan lilitan harus rata dan bebas dari tonjolan.
• Konduktor tidak boleh menyilang antar lapisan.
• Posisi, jumlah, dan ketebalan spacer harus sesuai dengan desain saluran.

5. Proses Penggulungan Kontinu

Lilitan kontinu adalah lilitan cakram yang representatif. Seluruh lilitan digulung secara kontinu dari satu konduktor (atau konduktor paralel), tanpa sambungan solder antar cakram, memberikannya kekuatan mekanik yang sangat tinggi dan kapasitas tahan hubung singkat. Ini adalah pilihan utama untuk lilitan tegangan menengah pada transformator besar dan menengah.

5.1 Fitur Struktural

Belitan kontinu dibagi sepanjang arah aksial menjadi beberapa "piringan" (pancake), yang masing-masing terdiri dari sejumlah lilitan tertentu. Piringan-piringan dihubungkan oleh teknik "kawat silang" khusus. Karena sambungan transposisi (silang) digunakan, jumlah lilitan per piringan dapat berbeda, sehingga secara fleksibel menyesuaikan distribusi potensial sepanjang belitan.

5.2 Esensi Belitan

1. Cetakan dan silinder isolasi: Serupa dengan belitan lapis, namun bantalan harus diposisikan terlebih dahulu di lokasi segmentasi piringan.
2. Belitan piringan demi piringan: Lilitkan konduktor menjadi piringan demi piringan pada mesin belit. Setelah setiap piringan, letakkan blok isolasi (blok isolasi ujung) di antara piringan; saluran radial terbentuk di antara blok-blok tersebut.
3. Sambungan lintas piringan (transposisi): Hubungkan piringan melalui kawat silang (sambungan solder) atau operasi "pembalikan" khusus. Proses-proses kunci:

• Transposisi (penyilangan): Konduktor piringan yang berdekatan bersilangan pada sambungan untuk menyeimbangkan resistansi dan reaktansi di antara konduktor paralel, sehingga mengurangi rugi-rugi arus sirkulasi.
• Pengelasan: Di mana pengelasan diperlukan, sambungan harus kuat, beresistansi rendah, terisolasi dengan andal, dan terletak jauh dari posisi terkonsentrasi tegangan.

1. Kontrol lilitan dan segmen: Gunakan penghitung untuk mengontrol secara presisi jumlah lilitan per piringan, memastikan total lilitan dan lilitan per segmen sesuai dengan gambar.
2. Pengepresan hidrolik: Gunakan peralatan hidrolik untuk menekan belitan secara aksial, membuat piringan padat dan konsisten tingginya.
3. Pengepresan dan pengeringan: Terakhir, bentuk, keringkan awal, dan tekan.

5.3 Keuntungan dan Kesulitan

• Keuntungan: tidak ada sambungan solder, kekuatan mekanik tinggi, ketahanan hubung singkat yang kuat, tata letak saluran pendingin yang fleksibel.
• Kesulitan: proses yang kompleks, tuntutan tinggi pada operator dan peralatan otomatisasi, penanganan isolasi yang ketat di lokasi transposisi dan penyilangan.

6. Proses Belitan Interleaved

6.1 Mengapa "Interleaving"

Ketika transformator terkena tegangan lebih (terutama impuls petir), distribusi tegangan impuls awal pada lilitan belitan tidak seragam. Gradien potensial antar lilitan di dekat ujung saluran sangat besar, sehingga mudah menyebabkan tembus antar lilitan. Oleh karena itu, belitan interleaved muncul.

6.2 Prinsip dan Struktur

Melalui sambungan "interleaving" khusus, belitan interleaved membuat lilitan yang secara elektrik berderet seri tidak berdekatan secara spasial, melainkan "diberi jarak". Hal ini menyamakan gradien tegangan impuls melalui kapasitansi (meningkatkan kapasitansi longitudinal dan memperbaiki distribusi potensial), sehingga secara signifikan meningkatkan kemampuan belitan untuk menahan tegangan impuls.

6.3 Karakteristik Belitan

Kesulitan belitan interleaved terletak pada metode kontinunya yang "tidak berurutan, tidak berdekatan":

• Konduktor dililitkan dalam pola "maju — mundur — maju" yang bergantian; setelah melilitkan satu kelompok, ia melompati beberapa lilitan dan melilitkan kelompok berikutnya, membentuk struktur interleaved.
• Karena konduktor berulang kali bersilangan dan bertransposisi, kontrol ketegangan dan pembungkusan isolasi sangat menuntut; kerusakan isolasi dan kesalahan transposisi rentan terjadi.
• Mesin belit vertikal sering digunakan, dengan koreksi kesalahan otomatis dan kontrol simulasi, dibantu oleh perlengkapan (alat bantu belit) untuk memastikan akurasi posisi.
• Jumlah lilitan dan jumlah interleaving per piringan harus secara ketat mengikuti desain; jika tidak, distribusi potensial impuls akan rusak.

Belitan interleaved biasanya digunakan untuk belitan tegangan tinggi 110 kV dan di atasnya, sering dikombinasikan dengan belitan kontinu (misalnya, interleaved ujung, perisai dalam).

7. Proses Belitan Perisai Dalam (Interleaved-Inserted)

Belitan perisai dalam (juga dikenal sebagai "interleaved-inserted") adalah struktur yang dikembangkan dari belitan kontinu atau interleaved, yang umum digunakan untuk belitan tegangan tinggi ultra-tinggi dan ekstra-tinggi (misalnya, 500 kV, 750 kV, 1000 kV).

• Fiturnya adalah penyisipan konduktor perisai (segmen perisai mengambang) di dalam belitan. Efek kapasitansi dari konduktor perisai lebih lanjut menyamakan distribusi tegangan impuls.
• Selama proses belitan, konduktor perisai harus disisipkan pada posisi lilitan/segmen yang ditentukan dan dipasang dengan komponen isolasi.
• Tuntutan yang sangat tinggi ditempatkan pada pembungkusan isolasi, posisi pemasangan, dan perlakuan ujung konduktor perisai. Proses belitan sangat kompleks dan biasanya menggunakan mesin belit CNC vertikal dengan verifikasi simulasi.

8. Proses Lilitan Heliks

Lilitan heliks terutama digunakan untuk lilitan tegangan rendah pada transformator berkapasitas besar. Setiap lilitan konduktor melingkar menurun sepanjang sumbu lilitan (seperti ulir sekrup); isolasi antar-lilitan dan blok spacer membentuk saluran radial atau aksial.

8.1 Hal-Hal Esensial dalam Lilitan

1. Konduktor paralel ganda: Lilitan tegangan rendah berarus besar sering menggunakan beberapa konduktor paralel. Transposisi yang benar harus dilakukan selama proses lilitan (konduktor disilangkan dan ditransposisi di sudut-sudut) untuk menyeimbangkan arus di antara cabang paralel dan menghindari rugi-rugi arus edar.
2. Pengendalian pitch heliks: Kendalikan sudut heliks dan pitch untuk menjaga posisi setiap lilitan tetap akurat dan seragam.
3. Saluran pendingin: Atur saluran spacer secara wajar di antara lilitan untuk memastikan aliran minyak pendingin berjalan lancar.
4. Penekanan dan pembentukan: Setelah dililit, tekan lilitan secara aksial agar tetap rapi dan padat.

8.2 Karakteristik

• Kinerja pendinginan yang baik, cocok untuk arus besar.
• Kekuatan mekanik yang baik.
• Transposisi merupakan titik kesulitan; penanganan yang tidak tepat dapat menyebabkan panas berlebih secara lokal.

9. Proses Lilitan Foil

Lilitan foil menggunakan strip foil tembaga (atau aluminium) alih-alih kawat bulat/persegi panjang, terutama digunakan untuk transformator tipe kering dan lilitan tegangan rendah berkapasitas kecil/menengah, juga ditemukan pada transformator rendaman minyak.

• Strip foil dililitkan secara terus-menerus, dengan lapisan-lapisan dipisahkan oleh film isolasi (misalnya film poliester, Nomex).
• Keunggulan: cocok untuk produksi otomatis, efisiensi produksi tinggi, distribusi tegangan antar-lapisan yang seragam, kinerja anti-hubungan singkat dan pendinginan yang baik.
• Hal-hal esensial dalam lilitan: pengendalian ketat terhadap tegangan dan kesejajaran foil; koneksi yang andal dari busbar ujung (batang tembaga) ke foil (pengelasan atau crimping); film isolasi lapisan harus tertutup sepenuhnya, bebas dari gelembung dan kemiringan.

10. Perlakuan Pasca-Lilitan dan Pengendalian Kualitas

10.1 Penekanan dan Pembentukan

Lilitan yang telah dililit tidak digunakan secara langsung. Lilitan tersebut harus menjalani:

1. Pembentukan: Koreksi keovalan dan dimensi aksial pada mesin pembentuk untuk mengembalikan profil desain.
2. Pra-pengeringan: Menghilangkan kelembapan dari kawat dan bahan isolasi untuk mencegah kelembapan isolasi setelah proses pemasukan ke dalam tangki.
3. Penekanan aksial: Menerapkan tekanan aksial yang ditentukan oleh desain pada mesin pres atau perangkat hidrolik untuk memadatkan lilitan, menyesuaikan dimensi sesuai spesifikasi, dan memenuhi persyaratan kekuatan mekanik anti-hubungan singkat.

10.2 Pengujian Listrik Utama

Setelah proses lilitan, inspeksi berikut biasanya dilakukan:

• Pengukuran resistansi DC: memverifikasi bahwa lilitan, koneksi, dan transposisi sudah benar serta cabang paralel seimbang.
• Uji dielektrik antar-lilitan / antar-lapisan: memverifikasi bahwa isolasi lilitan/lapisan tidak rusak selama proses lilitan.
• Uji tegangan induksi dan impuls (pada tahap bagian aktif atau unit lengkap): memverifikasi bahwa struktur isolasi dapat menahan tegangan kerja dan tegangan lebih.
• Inspeksi dimensi dan tampilan: diameter lilitan, tinggi, saluran, dan kondisi isolasi sesuai dengan gambar.

10.3 Cacat Lilitan Umum dan Dampaknya

11. Kesimpulan

Belitan transformator adalah proses yang sangat kompleks secara teknis. Mulai dari pemilihan konduktor dan desain struktur isolasi, hingga kontrol ketegangan, transposisi, belitan tersegmentasi, dan penekanan/pembentukan, setiap langkah menargetkan kinerja listrik, umur isolasi, dan kekuatan mekanis. Kapasitas dan tingkat tegangan yang berbeda memilih bentuk belitan yang berbeda: unit kapasitas kecil/sedang sebagian besar menggunakan belitan lapis/kontinu; unit tegangan tinggi kapasitas besar sebagian besar menggunakan belitan selang-seling, heliks, atau berpelindung dalam; otomatisasi dan kecerdasan mendorong penggunaan belitan foil dan peralatan belitan CNC.

Memahami proses belitan tidak hanya merupakan prasyarat untuk manufaktur transformator, tetapi juga dasar penting untuk menilai kualitas transformator dan mendiagnosis gangguan operasi (seperti pelepasan parsial dan pemanasan berlebih akibat arus sirkulasi).

Hubungi kami:

• Web: www.rockwill.com

Diedit dari: Dyson