fStudi Penentuan Umur Belitan Stator Generator
dengan Pendekatan Analisis Efek Internal Partial Discharge
Andry Hudarojat NIM 13204221 Laboratorium Teknik Tegangan dan Arus Tinggi
Sekolah Teknik Elektro dan Informatika Institut Teknologi Bandung Abstraksi: Analisis mengenai peluahan parsial (partial discharge)
erat kaitannya dengan penentuan umur dari komponen mesin, terutama mesin berputar. Distribusi peluahan parsial yang dinamis memaksa engineer untuk lebih memperhatikan kondisi isolasi dari komponen-komponen mesin. Sehingga dalam hal ini, penentuan umur dari peralatan mutlak diperlukan untuk menghindari kondisi rusak (breakdown) pada peralatan tersebut yang dapat mempengaruhi sistem secara keseluruhan.
I.
Pendahuluan
Analisis partial discharge dalam salah satu fungsinya adalah untuk memprediksikan umur dari komponen suatu mesin berputar. Generator pada pembangkit adalah komponen yang sangat vital dalam produksi daya dalam satu sistem pembangkitan. Dalam hal ini, umur dari isolasi komponen generator baik stator maupun rotor dapat ditentukan dengan cara melihat aktivitas partial discharge pada kurun waktu pengambilan perkembangan (trend) data yang diperlukan. Perkembangan data yang diberikan oleh alat ukur akan memberikan informasi untuk melakukan analisis perkembangan dari proses partial discharge.
Dalam studi ini akan dikaji efek partial
discharge berkaitan dengan distribusi medan listrik yang
tidak merata pada komponen- komponen penghantar pada generator. Kegagalan geometri akan menentukan adanya pemusatan medan listrik yang cukup tinggi. Namun dalam kajian berikut ini akan lebih dititikbertakan kepada peluahan parsial dalam (Internal Partial discharge) dan efeknya terhadap isolasi belitan stator yang mempengaruhi umur dari isolasi belitan tersebut.
Penentuan umur dari komponen mesin berputar memiliki banyak metode; salah satunya adalah dengan metoda probabilistik dengan distribusi dan fungsi Weibull [1]. Kemudian juga dapat diamati dengan menggunakan beberapa sensor seperti Capacitor Coupled (CC),High Frequency- Current Transformer (HF-CT), dan Acoustic Emission Sensor (AE) yang secara on-line digunakan [2].
Dalam laporan tugas akhir ini, pengukuran akan dilakukan dengan menggunakan analyzer dari IRIS POWER. milik Chevron Geothermal Gunung Salak. Analyzer ini dapat dipergunakan secara on-line measurement, artinya pengukuran efek partial discharge, sistem dalam keadaan hidup dengan generator melakukan kerja dan menghasilkan gaya putar, arus dan energi. Secara praktis alat ini juga mampu memisahkan gangguan (noise) yang disebabkan oleh interferensi gelombang luar, misalnya oleh efek korona dari penutup bus bar generator.
Data-data partial discharge diambil secara on-line pada bus bar generator yang terletak membujur menuju trafo daya. Skematik rangkaian pengukuran juga memperhitungkan gangguan yang muncul sehingga diperlukan filter untuk dapat mengamati gejala partial
discharge ini.
Dengan analisis dari perkembangan data partial
discharge maka dapat diambil metode pengukuran umur
ketahanan dari isolasi. Sehingga dengan demikian kondisi rusak (breakdown) dapat dihindari dengan prediksi untuk menentukan waktu perawatan (predictive maintenance) dalam sistem pembangkit.
II.
Peluahan Parsial Dalam ( Internal Partial
Discharge)
Peluahan parsial dalam atau Internal Partial
discharge adalah proses terjadinya ionisasi elektron yang
terdapat pada lapisan dalam suatu isolasi penghantar yang dapat memberikan efek tembus listrik. Kejadian ini dapat dipicu melalui dua syarat yaitu, adanya void atau ruang udara yang kecil dan medan elektrik yang tinggi, 30 kV/cm yang dihasilkan oleh proses penghantaran daya dalam penghantar tersebut [3].
Medan listrik yang tinggi, tentu tidak dapat dihindari karena arus listrik akan menimbulkan medan listrik yang melingkari arah arus listrik tersebut. Sedangkan void merupakan kondisi kegagalan konstruksi penghantar
yang tidak cukup rapat dan merekat, sehingga terdapat udara terperangkap dalam isolasi tersebut dalam ukuran mikroskopik. Void ini akan memberikan efek kapasitansi pada jarak tertentu yang menimbulkan tambahan energi ionisasi pada muatan-muatan pada void tersebut.
Kegagalan konstruksi yang menyebabkan pemusatan medan listrik yang melebihi 30kV/cm tidak hanya terjadi oleh void saja, pemusatan ini dapat terjadi akibat pelekukan paenghantar yang memberikan dimensi yang cukup untuk proses pemusatan medan listrik [4]. Gambar dari kegagalan konstruksi ini sebagai berikut :
Gambar 1
Gambar ini memperlihatkan adanya kegagalan konstruksi (bentuk geometri yang runcing) yang menyebabkan adanya proses peluahan parsial dalam.
Dalam skala mikroskopik, peluahan parsial dalam pada kasus void (gas) disebabkan oleh beberapa mekanisme tembus listrik, yaitu mekanisme Townsend, mekanisme Streamer, [3] dan mekanisme Leader [5]. Mekanisme Townsend adalah mekanisme tembus listrik yang terjadi pada tekanan yang rendah dan sela yang sempit. Pada proses ini elektron yang dipercepat oleh medan listrik dapat membentuk muatan baru akibat ionisasi tumbukan, jika energi kinetiknya melebihi potensial ionisasi molekul gas yang bersangkutan. Suatu avalan elektron akan terbentuk dan bergerak dari katoda menuju anoda, dan jika di dekat katoda terbentuk sejumlah ion yang baru yang mencukupi maka akan terjadi tembus listrik yang sempurna.
Mekanisme Townsend dapat diturunkan secara matematis, yaitu
/ (1)
dengan =koefisien ionisasi dari elektron, E adalah medan listrik, dan adalah tekanan pada saat itu. A dan B merupakan
konstanta-konstanta empirik. Dalam medan homogen, mekasnisme Townsend berlaku hubungan :
.
(2) Jika kedua persamaan di atas terpenuhi, maka untuk memperoleh tegangan tembus
E = Ed = E d/s (3)
dan diperoleh Hukum Paschen :
.
(4)
Mekanisme streamer terjadi pada sela yang lebih besar dan tekanan yang lebih besar relative dari mekanisme Townsend. Batas ini ditentukan oleh syarat terjadinya mekanisme Townsend sebagai berikut, dengan catatan tegangan lebih hingga 5% diatas nilai tembus statik Ud:
p . s 10 bar mm
(5) maka untuk syarat di atas jika terjadi lebih dari batas sela dan tekanan, maka tembus listrik selalu terjadi mekanisme Streamer [3]. Mekanisme ini dicirikan dengan emisi foton pada ujung avalan elektron yang menginduksi avalan baru dan mengawali pertumbuhan streamer yang cepat daripada avalan primer. Mekanisme Leader adalah mekanisme tembus gas yang terjadi pada ruang yang lebih besar dengan jarak s > 1 m. Maka dalam studi kasus ini, mekanisme Leader tidak dibahas secara rinci.
Tembus listrik yang terjadi pada isolasi akan menyebabkan kerusakan isolasi dan pada akhirnya akan menuju pada kondisi rusak (breakdown). Variabel-variabel untuk asumsi yang mendukung terjadinya tembus listrik adalah[4]:
a. Kerusakan (breakdown) terjadi akibat formasi pertumbuhan kanal-kanal pada sisi dua elektroda b. Kanal-kanal peluahan berasal dari pinggir dari
konduktor yang bertegangan tinggi [6], [7]. c. Sifat tahanan (resistivitas) dari kanal peluahan
yang terbentuk akan kecil sehingga mendukung terjadinya proses konduksi yang tinggi.
d. Ujung dari kanal peluahan adalah area yang kecil, sehingga permukaan yang terdelaminasi dianggap bentuk silindris.
Proses pembentukan kanal peluahan dapat digambarkan dalam bentuk skematik proses pada isolasi; sebagai berikut :
Gambar 2
Sedangkan contoh kanal peluahan yang berbentuk pohon pada percobaan tembus listrik dan dapat mewakili pada tingkat isolasi adalah :
Gambar 3
Variabel-variabel pada gambar 1 merupakan proses dari peluahan parsial, dan hubungannya dengan umur dari perlatan. Persamaan matematisnya dapat dituliskan sebagai berikut :
(7) dengan Vo adalah model dari Dynamic Stagnation Voltage (DSV) dan Vt adalah tegangan DSV pada waktu t. Model ini merupakan penggambaran hubungan parsial dalam dengan proses penuaan (aging) pada isolasi dari penghantar.
Ada dua model [4] untuk proses penuaan pada isolasi yaitu Dynamic Stagnation Voltage (DSV) dan Dynamic Aging Theory (DAT). DSV adalah penggambaran dari tingkat penuaan yang terjadi dengan pengukuran tegangan secara instan pada waktu t dari spektrum sudut fasa dari partial discharge. Dynamic Aging Theory
(DAT) adalah konsep hubungan antara tekanan yang terjadi akibat peluahan parsial dalam. Spektrum dari pemualaan dan berakhirnya tegangan dari partial discharge (DEV-DIV) adalah [4] :
Gambar 4
Namun dalam studi ini akan digunakan beberapa fasilitas program dari analyzer yang akan memberikan perkembangan data partial discharge yang terjadi pada komponen-komponen generator. Dengan pengukuran yang mengabaikan efek peluahan parsial luar dan gangguan maka dengan teori penuaan yang ada, umur dari peralatan dapat ditentukan.
Perkembangan data diukur pada busbar generator yang mewakili efek partial discharge yang terjadi di generator. Efek partial discharge dalam studi ini hanya dikaitkan dengan efek medan listrik dan beberapa parameter-parameter yang di set pada alat ukur (analyzer)
III. Metoda Pengukuran
Pengukuran akan dilakukan pada bus bar generator menuju trafo daya. Alat akan memebrikan gambaran partial discharge yang terjadi. Skematik metode pengukuran dapat digambarkan sebagai berikut :
Proses peluahan dan pembentukan kanal, akan ditunjukkan dalam orde miliVolt (mV), yang merupakan besaran kapasitansi kanal. Contoh hasil penggambaran trend data dari partial discharge pada alat ukur (analyzer) adalah :
Gambar 6
Dan amplitude pada partial discharge ditunjukkan dalam contoh grafik :
Gambar 7
Secara umum spesifikasi analyzer yang digunakan dapat ditunjukkan dibawah ini, antara lain:
• Dynamic range: +/- 2mV to +/- 4000 mV • Minimum window width: 2 mV
• Noise cancellation (time arrival)
• Noise resolution: 6ns ( 2m between pair of CC) • Dual DNC connector for 80 pF epoxy mica • 50 Ohm input impedance
• AC coupled
• Operating Environment:5- 400
C / 15-90% humidity • Dimension: 31cm x 41cm x 21cm
Maka dengan melihat skematik dan metode pengukuran partial discharge ini, konsep dasar pengukuran ini memakai prinsip Capacitor Coupled (CC). Kelebihan dari pengukuran ini adalah kemampuan deteksi partial
discharge yang tinggi dengan tingkat gangguan (noise) yang
medium. Tetapi capacitor coupled (CC) dalam operasinya bekerja pada frekuensi yang tinggi dan sensitivitas yang tinggi juga. Kelemahannya adalah penentuan lokasi yang tepat untuk mendapatkan hasil pengukuran yang memuaskan.
Dalam pengukuran secara on-line method, akan dipakai standar operasi yang diperlukan dalam pengukuran
partial discharge secara on line adalah sebagai berikut [8] :
IV. Data Pengukuran dan Pengolahannya
Contoh data pengukuran dan pengolahnnya adalah untuk unit 400 dan phasa A (menggunakan software Minitab ver.15):
Ini merupakan contoh data dan pengolahannya yang menunjukkan prediksi aktivitas PD sampai mencapai batas, yang mengharuskan generator harus dicek secara visual.
V.
Kesimpulan
Studi mengenai penentuan umur dengan pendekatan analisis partial discharge mempunyai banyak metode dan model pendekatan. Masing-masing metode memiliki kelebihan dan tentunya akan lebih cocok diterapkan sesuai kondisi dan kebutuhan. Metode pengukuran dalam studi umur komponen ini adalah berbasis pada Coupled Capacitor (CC).
Data-data pengukuran akan diambil dalam kurun waktu 1-2 bulan di busbar Generator ditambah data 2 tahun sebelumnya. Dengan melihat perkembangan data dari
partial discharge, dan tentunya dengan analisis yang lebih
mendalam, dapat disimpulkan sebuah kebijakan rencana melakukan perawatan (predictive maintenance). Kesimpulan dari penelitian tugas akhir ini, dengan dukungan data-data serta pengolahannya adalah:
1. Mekanisme tembus listrik secara praktis dapat disebabkan oleh mekanisme tembus pada void, kontaminasi partikel dalam jumlah yang cukup, tekanan mekanik dan thermal selama periode operasi dari generator.
2. Gejala penuaan pada isolasi diantaranya terjadi akibat mekanisme adanya perusakan pada aktivitas void, degradasi luar isolasi, reaksi oksidasi yang
menimbulkan delaminasi pada isolasi, dan suhu serta tekanan mekanik.
3. Metode prediksi umur belitan stator generator dapat menggunakan analisis database dan data trend serta prediksinya. Dihasilkan generator Unit 400 harus dilakukan inspeksi visual pada kuarter 1, tahun 2012 pada belitan statornya.
4. Pertimbangan masa outage atau penggantian dapat dilakukan dengan didahului oleh inpeksi visual belitan stator generator yang didasarkan pada prediksi aktivitas partial discharge dan didukung oleh analisis letak aktivitas partial discharge yang dinilai kritis.
VI. Pustaka
[1]R.Bozzo,C.Gemme,F.Gustavino,M.Cacciari,AContin,G.C.Mon tanari, Aging Diagnostic Of Insulation System by PD Measurement. Part: Extraction of Partial Discharge Features in Electrical Treeing, IEEE Trans. on Diel.and El.February 1998. [2]Chien-Yi Chen,Cheng-Chi Tai,Ju-Chu Hsieh, Ching-Chau Su,
Jiann-Fuh Chen,Comparisson and Analyis of On-line Partial Discharge Measurement Methods for Gas Insulation Substation, Asia Pacific Conference on NDT, Auckland, New Zealand, 5th – 10th Nov 2006.
[3]Kind, Dieter, 1993.Pengantar Teknik Eksperimental Tegangan Tinggi, Penerbit ITB Bandung.
[4]Nelson,J.Keith.Ghannad, Saber Azizi ,Hong Li,Theory and Application of Dynamic Aging for Life Estimation in Machine Insulation, IEEE Trans. on Diel.and El vol.7 no.6, December 2000
[5]Kind, Dieter.Karner, Herman, High Voltage Insulation Technology,Friedr.Vieweg&Shon.Braunschweib/Wiesbaden,1 985
[6]Y.J.Kim, 1988. Partial Discharge Spectroscopy for Insulation Diagnosis,doctoral Thesis,RPI.
[7]F.T.Emery, Partial Discharge Activity in HV Stator Coils, IEEE Int.Symp.On Electrical Insulation, 1994, pp. 318-21
[8]IEEE-SA Standards Board 1434 2000,IEEE Guide to Measurement of Partial Discharges in Rotating Machinery, April26,2000
[9]R. Vogelsang, B. Fruth, T. Farr, K. Fröhlich: “Detection of electrical tree propagation by partial discharge measurements” High Voltage Laboratory of the Swiss Federal Institute of ZürichETH Centre, 8092 Zürich, ZH, Switzerland
[10]Suwarno. Diktat Kuliah Teknik Isolasi. Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, Institut Teknologi Bandung. 2006 [11]IRIS POWER, Partial Discharge Seminar 18 – 19 September
