Studi Bentuk Gelombang Arus Bocor Pada Isolator Keramik
POS-PIN 20 KV dalam Berbagai Kondisi Lingkungan
Suwarno, Hery Darmawan
Departemen Teknik Elektro - Institut Teknologi Bandung
E-mail: suwarno@ieee.org
ABSTRAK
Isolator keramik banyak dipakai pada jaringan transmisi dan distribusi. Akibat pengaruh lingkungan seperti polusi dan kelembaban yang tinggi, arus bocor (leakage current) dapat mengalir pada permukaan isolator yang akan mengakibatkan rugi-rugi energi dan degradasi permukaan isolator. Dalam jangka lama kejadian ini dapat menyebabkan kegagalan isolator dalam bentuk lewat denyar (flash over). Studi mengenai arus bocor sangat diperlukan untuk mengetahui kondisi permukaan isolator. Pada makalah ini disampaikan hasil studi bentuk gelombang arus bocor pada isolator keramik jenis pos pin 20 kV pada berbagai kondisi diantaranya dalam keadaan bersih dan terpolusi buatan (semen dan garam). Besaran yang diamati adalah magnituda dan bentuk gelombang dari arus bocor yang mengalir di permukaan isolator. Pengukuran dilakukan dengan sistem pengukuran berbasis PC (Personal Computer). Analisa harmonik arus bocor dilakukan dengan Fast Fourier Transform (FFT) dengan menggunakan software Matlab. Total Harmonic Distortion (THD) sebagai ukuran kandungan harmonik dari gelombang arus bocor dihitung. Hasil pengukuran dan analisa menunjukan bahwa magnituda dan bentuk gelombang dari arus bocor sangat dipengaruhi oleh kondisi permukaan isolator dan lingkungan dimana isolator tersebut ditempatkan. Pada kondisi terpolusi semen atau garam, arus bocor sering disertai peluahan. THD dari gelombang arus bocor untuk setiap kondisi lingkungan berbeda. Perubahan THD dari satu kondisi ke kondisi lain memungkinkan THD dari arus bocor dijadikan sebagai kandidat besaran untuk diagnosis kondisi isolator.
Kata kunci : arus bocor, isolator keramik, kondisi lingkungan, FFT, THD.
1. Pendahuluan
Isolator merupakan bagian penting dalam transmisi dan distribusi energi elektrik. Pada saat ini isolator keramik pasangan luar banyak dipakai di sistem jaringan energi elektrik termasuk kepunyaan PT. PLN. Dalam kenyataan sering terjadi kegagalan sistem akibat kegagalan isolator. Salah satu faktor yang mempengarahi proses kegagalan isolator pasangan luar (outdoor insulator) adalah pengotoran yang terjadi pada permukaannya. Pengotoran tersebut sangat dipengaruhi oleh kondisi lingkungan dimana isolator tersebut ditempatkan [1,2,3]. Adanya pengotoran akan menyebabkan kenaikan arus bocor. Arus bocor akan mengakibatkan rugi-rugi energi listrik dan meningkatkan degradasi permukaan isolator yang pada jangka lama dapat menyebabkan kegagalan isolasi. Pada studi ini diteliti bagaimana pengaruh kondisi permukaan isolator dan lingkungan terhadap magnituda, bentuk gelombang, dan spektrum harmonik dari arus bocor. Dengan mengetahui hubungan antara kondisi permukaan isolator dan pola arus bocor diharapkan dapat dilakukan diagnosis kondisi isolasi dari isolator.
2. Eksperimen
Sampel yang dipakai dalam studi ini adalah isolator keramik pos pin 20 kV produksi PT. Twink Indonesia. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan tegangan tinggi bolak-balik pada
frekuensi jala-jala 50 Hz. Pada pengujian tersebut, isolator ditempatkan di ruang pengujian (test chamber) yang dindingnya terbuat dari alumunium dan berukuran (90 x 90 x 120) cm. Ruang pengujian tersebut dilengkapi oleh sistem pengaturan suhu dan kelembaban, sistem pembuat kabut, dan sistem pemanas. Untuk mensimulasikan pengotoran yang terjadi di alam, digunakan polusi buatan (artificial pollution) yang terdiri dari polusi semen (berupa semen yang ditaburkan secara merata di permukaan isolator) dan polusi garam (berupa larutan yang terdiri dari campuran air, garam, dan kaolin, dimana isolator dicelupkan secara merata pada larutan tersebut) menurut standar IEC 815.
Arus bocor yang mengalir pada permukaan isolator diukur dengan mengukur tegangan jatuh pada resistor seri dengan menggunakan digitalstorage osciloscope. Untuk memproteksi peralatan ukur terhadap tegangan lebih dipergunakan MOV 47 V dan arester DEHN UGKF/BINC. Data digital dari osciloscope ditransfer ke komputer dengan bantuan GPIB dari National Instrument dan perangkat lunak Wavestar. Selanjutnya terhadap data arus bocor yang telah disimpan di dalam komputer dilakukan analisa harmonik dengan transformasi fourier menggunakan perangkat lunak Matlab. Rangkaian pengukuran ditunjukkan pada gambar 1 sebagai berikut.
MEJA KONTROL trafo pengukuran 220 V / 100 kV sumber jala-jala 220 V AC R pelindung 375 OHM; 60W KAPASITOR UKUR 100 pF
alat ukur tegangan puncak SM SM TDS 220 ARRESTER DEHN UGKF/BNC R SHUNT MOV 47 V KABEL KOAKSIAL KABEL GPIB OSILOSKOP DIGITAL P C
Gambar 1 : Rangkaian Pengukuran dan Akuisisi Data
3. Transformasi Fourier dan Fast Fourier
Transform (FFT)
Transformasi Fourier dalam studi ini dipergunakan untuk mengubah suatu gelombang domain waktu kontinyu menjadi penjumlahan beberapa gelombang sinusoidal dalam domain waktu dan frekuensi. Persamaan dasar dari transformasi Fourier untuk suatu sinyal x(t) adalah:
( )
∑
∞[
(
)
(
)
]
= − + = 1 1 2 sin 2 cos 2 k o k o k o a kFt b kFt a t x π π …(1)Fo adalah frekuensi fundamental, k adalah bilangan
bulat.
Karena dalam studi ini, dipakai peralatan-peralatan digital untuk menyimpan dan memproses gelombang dari arus bocor, maka di sini digunakan transformasi Fourier waktu diskrit yang persamaannya yaitu:
( )
[
]
∑
−( )
==
=
1 01
)
(
N n N jk oe
n
x
N
k
X
IDT
n
x
ω 1∑
−( )
= − ≤ ≤ − = 1 0 1 0 , 1 N n kN N n N W n x N .. (2) Untuk mempermudah perhitungan transformasi Fourier waktu diskrit yang sangat rumit untuk jumlah N yang sangat besar, maka secara komputasi digunakan algoritma FFT yang ada di perangkat lunak Matlab. Secara singkatnya, persamaan dari FFT yaitu:( )
∑
−{
[ ]
( )
[ ]
( )
}
= + = 1 0 . Im Re N n n x j n x k X{
Re[ ]
WNkn +jIm[ ]
WNkn}
……. (3) untuk k = 0,1,2,...N-1Untuk mengetahui kandungan harmonik dalam gelombang arus bocor dipergunakan parameter Total Harmonic Distortion (THD). THD dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
1 2 2
I
I
THD
n n∑
∞ ==
……… (4)dimana I1 = arus pada harmonik ke-1 (fundamental)
dan In = arus pada hamonik ke-n; n = 2,3,4,....
THD yang besar menunjukkan kandungan harmonik yang besar pula. THD sama dengan nol berarti gelombang adalah sinusoidal murni (mengandung fundamental saja).
4. Hasil Eksperimen
Pola arus bocor pada Isolator bersih
Untuk pengukuran pada isolator dalam keadaan bersih pada suhu dan kelembaban relatif ruang pengujian 25,9° - 26,1° C; 76%, dengan menggunakan tegangan 12 kV (merupakan tegangan fasa ke netral dari sistem 20 kV), tipikal data arus bocor dapat dilihat pada gambar 3.
(a)
(b) Gambar 3
Bentok Gelombang (a) dan Spektrum Harmonik (b) Arus Bocor Pada Isolator Dalam Keadaan Bersih
Terlihat dari bentok gelombang bahwa dalam keadaan bersih, arus bocor sangat kecil dan berkisar beberapa mikro ampere. Ada sedikit distorsi dari bentuk sinusoidal murni. Dari analisa harmonik terdapat komponen harmonik ke- 5 (250 Hz) dan ke-7 (350 Hz) dengan amplituda yang kecil dibandingkan
- 5 0 - 4 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 p e r i o d a = 2 0 m s 0 5 1 0 1 5 20 25 30 35 40 45 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 h a r m o n i k k e
-fundamentalnya Bentuk gelombang dan spektrum harmonik arus bocor pada kondisi bersih ini dapat diasumsikan sebagai acuan dasar dari kondisi isolator pada keadaan normal dan sifat dari sistem sumber tegangan yang terdiri dari jalajala PLN 50 Hz, meja kontrol, trafo uji, kondensator ukur, dan resistor uji.
Dari analisa harmonik juga didapatkan THD sebesar 9,7 %. Besar THD tersebut menunjukan pula sifat dasar dari sistem penyuplai daya yang dipengaruhi oleh komponen harmonik dari jalajala dan peralatan nonlinier serta switching dari meja kontrol.
4.2 Isolator terpolusi Semen kering
(a)
(b) Gambar 4
Bentok Gelombang (a) dan Spektrum Harmonik(b) Arus Bocor pada Isolator
Dalam Keadaan Terpolusi Semen Kering pada Tegangan 12 kV
Untuk mendapatkan kondisi terpolusi semen kering maka pada permukaan isolator ditaburi dengan semen pada kondisi kering secara merata. Tegangan uji diterapkan dan arus bocor diukur. Selama pengamatan 1 jam teramati adanya peluahan (discharge) di permukaan isolator.
Hal ini juga dapat dideteksi dengan munculnya pulsa dari bentuk gelombang normalnya. Pemunculan pulsa ini sangat mempengaruhi komponen-komponen harmonik yang terkandung pada gelombang arus bocor tersebut. Bentuk gelombang dan spektrum harmonik arus bocor untuk keadaan ini dapat dilihat pada gambar 4.
Besarnya puncak gelombang tertinggi dan THD untak keadaan ini adalah 42 mikroA dan 52,98 %.
4.3 Isolator terpolusi semen basah
(a)
(b) Gambar 5
Bentuk Gelombang (a) dan Spektrum Harmonik (b) Arus Bocor pada Isolator Dalam Keadaan Terpolusi Semen Basah Gambar 5 menunjukkan bentuk gelombang dan spektrum harmonik arus bocor untuk isolator dalam keadaan terpolusi semen basah pada kondisi suhu dan kelembaban relatif ruang pengujian 25,9° - 26,1° C; 87% dan tegangan 12 kV.
Terlihat dari gambar bahwa disamping gelombang yang mengikuti fundamental terdapat komponen harmonik yang banyak bahkan muncul peluahan. Hal ini juga dengan mudah dilihat dari spektrum harmoniknya.
Dalam keadaan terpolusi semen basah, sifat hidropobik (menolak air) dari permukaan isolator berkurang. Akibatnya, semen yang memperangkap air membentuk lapisan konduktif sehingga besar arus bocor pun meningkat. Karena dilalui arus bocor secara kontinyu, maka terjadilah pembentokan pita kering (dry band) yang diawali dengan terjadinya
peluahan (discharge). Proses peluahan ini ditandai dengan terbentuknya pulsa pada gelombang arus bocor. Akibat peluahan ini, komponen-komponen harmonik selain funda-mentalpun muncul. Komponen-komponen harmonik muncul secara merata mulai dari harmonik ke-2 (100 Hz) sampai ke-50 (2500 Hz). - 6 0 - 4 0 - 2 0 0 2 0 4 0 6 0 p e r i o d a = 2 0 m s 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 harmonik ke--600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 p e r i o d a = 2 0 m s 0 10 20 30 40 50 60 harmonik
ke-Besarnya puncak gelombang tertinggi dan THD untuk keadaan ini adalah 501 mikroA dan 123,33%. Terjadi kenaikan baik magnituda maupun THD bila dibandingkan dengan kondisi kering.
4.4 Isolator terpolusi larutan garam dan kaolin dengan tingkat polusi rendah
Untuk memperoleh kondisi tingkat polusi sedang di dalam studi ini digunakan acuan standar IEC no 815. Untuk pengukuran isolator terpolusi larutan garam dan kaolin dengan konduktivitas 4,6 mS/cm pada ruang basah dengan metode pengkabutan (mensimulasikan hujan) pada suhu dan kelembaban relatif ruang pengujian 25,9° - 26,1° C; 87% pada tegangan 12 kV, data arus bocor dapat dilihat pada gambar 5.
(a)
(b) Gambar 5
Bentuk Gelombang (a) dan Spektrum Harmonik (b) Arus Bocor pada Isolator Dalam Keadaan Terpolusi Larutan Garam dan Kaolin
Dari gambar terlihat bahwa terjadi distorsi bentuk gelombang yang cukup besar dengan THD sekitar 44 %. Magnituda juga mengalami kenaikan dibanding kondisi bersih hingga sekitar 100 µA.
4.5 Polusi garam dengan tingkat polusi sedang
Untuk simulasi polusi garam dengan tingkat sedang maka dipergunakan larutan polutan campuran semen, kaolin, dan garam dengan konduktifitas 9,4 S/cm, selama pengamatan 1 jam, sering terjadi loncatan bunga api (sparkover) pada permukaan isolator.
Bentuk gelombang dan spektrum harmonik untuk keadaan ini dapat dilihat pada gambar 6.
(a)
(b) Gambar 6
Bentuk Gelombang (a) dan Spektrum Harmonik (b) Arus Bocor Dalam Keadean Terpolusi Larutan Garam dan Kaolin pada Tegangan 12 kV Terlihat dari gambar bahwa magnituda arus bocor naik pesat menjadi sekitar 11 mA dan dari analisa harmonik didapatkan bahwa THD juga naik menjadi 89,6 %.
Dengan hasil-hasil ini maka ternyata harga kisaran puncak gelombang dan THD berubah-ubah sesuai dengan kondisi permukaan isolator. Bila hasil-hasil pengukuran arus bocor dan besarnya THD disarikan diperoleh harga harga seperti pada tabel berikut:
- 1 0 0 - 5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 p e r i o d a = 2 0 m s 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 harmonik
ke-arus bocor (mikroA)
- 1 0 - 5 0 5 1 0 1 5 p e r i o d a = 2 0 m s 0 50 100 150 200 250 300 350 harmonik
ke-Tabel 1
Kisaran harga puncak dan THD arus bocor untuk berbagai kondisi permukaan isolator
Kondisi Isolator Kisaran puncak gelombang arus bocor (µA) Kisaran THD (%) Keteranga n Bersih 8-60 8,5 – 15,3 Tidak ada
peluahan Polusi semen kering 15 - 22 10,3-53 Disertai peluahan Polusi semen basah 50 - 60 16,4 - 218 Disertai peluahan Polusi larutan garam dan kaolin 50 - 600 23,7 – 42,7 Disertai peluahan 5. Kesimpulan
Dari hasil studi ini maka dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut:
a. Bentuk gelombang dan besar arus bocor pada permukaan isolator sangat dipengaruhi oleh kondisi permukaan isolator.
b. Kandungan harmonik gelombang arus bocor dapat dipresentasikan dengan THD yang berubah dari satu kondisi ke kondisi lain dari permukaan isolator.
c. Perubahan amplitudo dan kandungan harmonik arus bocor terhadap kondisi permukaan isolator mengindikasikan aplikasi kedua besaran ini untuk diagnosis kondisi isolasi isolator.
5. Daftar Pustaka
[1] Fernando,M.A.R.M., et.al, Leakage Current Patterns on Contaminated Polymeric Surfaces, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 6 No.5, Oktober 1999
[2] Masayuki, Hikita, et.al, Separate Measurement of Conductive and Pulsive Components of Leakage Current of Porcelain and Polymeric Materials for Outdoor Insulators, Proceeding of The 6fl~ International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials, Xi'an Jiaotong University, Xitan, China, June, 2000 [3] T. Sorqvist, Polymeric Outdoor Insulators - A long
term Study, PhD Thesis, Report No. 313, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden, September 1997
[4] Proakis,J. et.al, Digital Signal Processing, Prentice Hall Inc., 1995
[5] Ludeman, Lonnie, Fundamental of Digital Signal Processing, Jon Wiley & Son, 1997.
[6] Gorur, Ravi, Outdoor Insulator, Ravi Gorur Inc., Arizona, 1999
[7] Kato, Koji, et.al., Wetting Characteristics of Various Kinds of Insulators, Proceeding of The 6th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials, Xi'an Jiaotong University, Xi'an, China, June, 2000 [8] Renyu, Zhang, Progress in Outdoor Insulation
Research in China, EEE Suspension Insulators by The Clean Fog Method, High Voltage Engineering Symposium,August, 1999, Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 25 No.6, December 1990 [9] Mazurex, Boleslaw, et.al., Effect of ArcCurrent on
Properties of Composite Insulators for Overhead Lines, Proceeding of The 6th, International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials, Xi'an, Jiaotong University, Xi'an, China, June, 2000
[10] Suda, Tamotaka, Study on The Frequency Characteristics of Leakage Current Waveform of Artificially Polluted 12t Suspension Insulators by The Clean Fog Method, High Voltage Engineering Symposium, August, 199
Suwarno adalah staf dosen Departemen Teknik
Elektro ITB. Menyelesaikan S-1 dan S-2 dari ITB tahun 1988 dan 1991. Menyelesaikan S-3 dari Nagoya University Japan pada tahun 1996. Bidang yang diminati adalah teknik dan material isolasi tegangan tinggi, elektromagnetik dan kalibrasi.
