ANALISIS KUALITAS ISOLASI BELITAN DARI KUMPARAN
STATOR MOTOR 6,6 kV BERDASARKAN NILAI TAHANAN ISOLASI,
TAN δ, DAN ARUS BOCOR PADA PENGUJIAN TEGANGAN TINGGI
DC
Muhammad Hamdani Rizal[1]; Rudy Setiabudy[2]
Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Indonesia
Email : hamdani.rizal25@yahoo.com
Abstrak
Kualitas isolasi suatu belitan motor/generator tegangan menengah ataupun tegangan tinggi sangat perlu diperhatikan. Beberapa pengujian yang dilakukan untuk menentukan kualitas isolasi suatu belitan motor antara lain, pengujian tahanan isolasi, tan δ, dan pengujian tegangan tinggi. Pada skripsi ini, pengujian tersebut dilakukan pada sebuah sampel belitan stator motor 6,6 kV yang belum terpasang pada stator. Pengujian tahanan isolasi bertujuan untuk mengetahui besar kecilnya kandungan air pada isolator. Pengujian tan δ atau faktor disipasi untuk mengetahui besarnya rugi dielektrik bahan. Sedangkan pengujian tegangan tinggi bertujuan untuk mengetahui arus bocor yang timbul akibat tegangan tinggi yang diberikan pada belitan. Dari ketiga pengujian tersebut, terdapat parameter tan δ yang tidak memenuhi standar. Akan tetapi, hal ini bukan merupakan faktor utama yang menentukan suatu isolasi belitan buruk. Besarnya nilai tahanan isolasi dan tidak adanya breakdown pada pengujian tegangan tinggi DC, merupakan faktor utama yang menentukan tahanan isolasi belitan adalah baik.
QUALITY ANALYSIS OF 6.6 KV INSULATION COIL OF STATOR
MOTOR WINDING BASED ON VALUES OF INSULATION
RESISTANCE, TAN Δ, AND LEAKAGE CURRENT OF DC HIGH
VOLTAGE
Abstract
Insulation quality a medium or high voltage motor winding is an important aspect to be noticed. Several tests were conducted to determine the quality of the insulation of a motor winding are like, insulation resistance
testing, tan δ, and high voltage testing. In this paper, the testing was conducted on a sample of 6.6 kV motor stator windings are not installed on the stator.. Insulation resistance test aims to determine the size of the water content in the insulator. Testing of dissipation factor or tan δ, to determine the dielectric loss materials. While the high-voltage testing aims to determine the leakage current arising from a given high voltage on the windings. Of the three tests, the tan δ are parameters that do not meet the standards. However, this is not a major factor that determines a bad winding insulation. The value of the insulation resistance and the absence of breakdown in high voltage DC testing, are the main factors determining the insulation resistance of the winding is good.
Keywords: motor; windings; insulation materials; insulation resistance; high DC voltage; dissipation factor; tangent delta; leakage current.
1. Pendahuluan
Kualitas isolasi merupakan salah satu faktor penting yang harus diperhatikan dalam melakukan suatu perbaikan rewinding (melilit ulang) ataupun reinsulation (melapis ulang isolasi). Pengujian tegangan tinggi pada isolasi belitan adalah salah satu cara untuk mengetahui arus bocor yang terjadi. Pengujian tegangan tinggi pada isolasi belitan, menunjukkan kualitas isolasi terhadap tegangan kerja yang akan diterima oleh belitan tersebut.
Besarnya nilai arus bocor yang muncul pada saat pengujian, menjadi indikasi ketahanan kualitas isolasi terhadap tegangan tinggi. Tan δ atau faktor disipasi juga merupakan salah satu indikasi yang menunjukkan karakteristik ketahanan isolasi. Tan δ akan berpengaruh pada rugi daya yang disebabkan oleh besarnya daya reaktif yang timbul dikarenakan nilai tan δ yang tinggi. Selain itu, pengukuran tahanan isolasi juga perlu dilakukan untuk mengetahui kondisi belitan sebelum dan sesudah dilakukan
pengujian tegangan tinggi, karena pengujian tegangan tinggi yang bersifat merusak, maka pengukuran tahanan isolasi sesudahnya pun perlu dilakukan.
2. Tinjauan Teoritis
2.1 Isolator
Isolator dalam kristal padat, dimana celah energi terlarang antara pita terisi paling atas (pita valensi) dengan pita kosong paling rendah (pita hantaran) demikian
lebarnya, sehingga hanya sebagian kecil saja dari elektron-elektron yang terangsang oleh panas (pada temperatur kamar) yang dapat melompat dari pita valensi ke pita hantaran. Benda ini dikelompokkan sebagai isolator karena hanya sedikit elektron bebas yang tersedia dalam pita hantaran, dan bahan ini merupakan penghantar (baik elektrik maupun panas) yang buruk1.
Gambar 2.1 Celah energi pada bahan.6 2.2 Isolasi Belitan Stator5
Fungsi utama dari isolasi adalah untuk memisahkan konduktor dari inti stator sehingga memungkinkan terjadinya perbedaan tegangan antara konduktor dari inti stator. Material yang biasa digunakan untuk isolasi adalah kaca dan mika yang memiliki sifat isolasi elektrik yang bagus tetapi tidak bagus dalam sifat mekanik. Kaca dan mika cenderung pecah ketika terjadi vibrasi pada motor. Untuk mengurangi stres mekanik pada isolasi, biasanya digunakan
tape dengan bahan campuran organik. Bahan
organik yang sering digunakan seperti aspal, polyester, dan epoksi.
Gambar 2.2 Isolasi pada belitan stator5
2.3 Tahanan Isolasi1
Jika tegangan DC diberikan isolator yang terbuat dari bahan polimer, arus listrik lewat melalui bagian dalam dan permukaannya. Perbandingan tegangan DC yang diberikan dan arus listrik total disebut tahanan isolasi, antara tegangan dengan arus listrik dalam (arus volume) disebut tahanan volume, dan antara tegangan dengan arus permukaan disebutr tahanan permukaan. Selanjutnya, tahanan volume per satuan
tebal dan per satuan luas disebut ketahanan volume (Ω cm), sedangkan tahanan permukaan per satuan jarak permukaan , yaitu satuan panjang dari elektroda disebut ketahanan permukaan (Ω).
2.4 Pengujian Tegangan Tinggi
Pengujian tegangan tinggi dilakukan untuk mengetahui apakah peralatan tegangan tinggi yang diuji masih memenuhi standar kualitas dan kebutuhan yang dispesifikasikan pada peralatan tersebut. Terdapat tiga jenis tegangan tinggi yang digunakan sebagai pengujian tegangan tinggi, yaitu tegangan tinggi bolak-balik (AC), tegangan tinggi searah (DC), dan tegangan tinggi impuls. Tujuan pengujian tegangan tinggi antara lain2 :
1. Untuk meneliti sifat-sifat listrik dielektrik yang baru ditemukan, sebagai usaha dalam menemukan bahan isolasi yang lebih murah
2. Untuk verifikasi hasil rancangan isolasi baru, yaitu hasil rancangan yang telah dikurangi volume isolasinya
3. Untuk memeriksa kualitas peralatan sebelum terpasang, hal ini dilakukan untuk menghindarkan kerugian bagi pemakai peralatan
4. Untuk memeriksa kualitas peralatan setelah beroperasi dalam rangka mengurangi kerugian semasa pemeliharaan.
3. Pengujian Belitan Stator Motor 6,6 kV 3.1 Sampel Pengujian
Sampel yang digunakan dalam pengujian adalah berupa belitan stator dengan karakteristik lapisan isolasi menggunakan material isolasi mika, glass, varnish, dan nomex.
3.2 Lapisan Isolasi Belitan Stator
Lapisan isolasi yang digunakan pada belitan belitan stator motor 6,6 kV terdiri dari bahan isolasi yang telah disebutkan di atas. Lapisan isolasi terhadap bumi disini sangat penting dalam membatasi konduktor dengan dinding slot (inti besi) pada stator. Untuk pengujian kali ini, penulis menggunakan sampel dengan bahan lapisan isolasi yang biasa digunakan oleh PT Mesindo Tekninesia sebagai bahan isolasi motor 6,6 kV.
Tabel 3.1 Susunan layer pada Sampel belitan motor 6,6 kV Isolasi Jumlah lapisan Keterangan
Glass Mica Glass 1 4 1
Lapisan paling dekat dengan konduktor
Lapisan terluar *Pada setiap lapisan isolasi diberi varnish
3.3 Rangkaian Pengujian 3.3.1 Tahanan Isolasi
Pengukuran tahanan isolasi hanya dilakukan antara konduktor belitan dengan ground, karena pengukuran yang dilakukan hanya pada sebuah belitan. Jika belitan terhubung pada main stator winding, pengukuran nilai tahanan isolasi antar phasa akan dapat dilakukan. Akan tetapi, pada pengujian ini hanya sebuah sampel belitan yang belum terhubung pada main stator. Pengukuran tahanan isolasi dilakukan selama 10 menit, dimana pengukuran ini disebut juga pengukuran polarization
index (P.I). Berikut rangkaian pengukuran tahanan isolasi pada sampel belitan
stator :
Gambar 3.1 Rangkaian uji tahanan isolasi dan P.I 3.3.2 Faktor Disipasi (tan δ)
Pengujian tangen delta dilakukan sebelum pengujian tegangan tinggi DC. Hal ini dilakukan karena pengujian tangen delta bukan termasuk pengujian yang merusak, berbeda dengan pengujian tegangan tinggi yang bersifat merusak. Sehingga karakteristik awal dari isolasi belitan dapat diketahui dari pengujian tan δ. Nilai tangen delta yang terukur akan dianalisis dengan menggunakan standard VDE
0530. Berikut ini adalah rangkaian pengujian tangen delta pada belitan stator motor 6,6 kV :
Gambar 3.2 Jembatan Schering : Cx objek uji, C2 kapasitor standard, R3,C4, elemen pengimbang, R4
resistor konstan, N indikator nol, S tapis. 3.3.3 Tegangan Tinggi DC
Pengujian tegangan tinggi merupakan pengujian yang bersifat merusak, sehingga tidak disarankan untuk dilakukan secara berulang-ulang. Besarnya tegangan uji pada belitan 6,6 kV adalah sebagai berikut :
!!"# = 3,4 ! !"#$%"&' + 1,7 = !", !" !"
4. Hasil Pengujian Dan Analisa 4.1 Tahanan Isolasi
Tabel 4.1 Hasil peengukuran tahanan isolasi Sebelum Dipanaskan Sesudah Dipanaskan
Menit ke - Tahanan Isolasi (MΩ) Menit ke - Tahanan Isolasi (MΩ)
1 25000 1 106.000 2 30000 2 173.000 3 34000 3 219.000 4 38000 4 270.000 5 41000 5 300.000 6 44000 6 338.000 7 43000 7 384.000 8 45000 8 420.000 9 48000 9 459.000 10 48000 10 492.000 P.I = !"### !"###= !, !" P.I = 4,64
Setelah belitan dipanaskan pada mesin oven, besarnya nilai P.I meningkat menjadi 4,64. Nilai tersebut telah memenuhi standar IEEE Std 43-2000(R2006), yaitu diatas 2,0. Hal ini menunjukkan bahwa kandungan kadar air yang ada pada material isolasi telah berkurang, dikarenakan penguapan yang terjadi selama dilakukan pemanasan pada belitan. Berikut ini adalah grafik karakteristik tahanan isolasi setelah dipanaskan. Nilai P.I diatas 5,0 pada isolasi mesin-mesin tua, menunjukkan kondisi isolasi yang buruk dan perlu dilakukan tindakan untuk memperbaiki nilai P.I yang terlalu tinggi tersebut.
4.2 Faktor Disipasi (Tan δ)
Pengujian tan δ pada belitan stator dilakukan dengan memberikan tegangan secara bertahap mulai dari 0,2 Un – 1,0 Un, dimana Un adalah tegangan nominal motor antar phasa. Berikut ini merupakaan data hasil uji tan δ pada masing-masing belitan :
Tabel 4.2 Hasil pengujian tangen delta No Tegangan Uji (Un) Tegangan Uji (kV) Tan δ (%) Cx (pF) Arus (mA) Daya (mW) Sudut φ Temperature (oC) 1 0,2 1,497 1,850 961,2 0,453 12,55 88,939 27
2 0,4 2,498 1,969 962,6 0,756 37,21 88,871 28 3 0,6 4,004 3,590 979,0 1,231 176,9 87,943 29 4 0,8 5,508 7,959 1,038 1,793 784,0 85,448 29 5 1,0 6,511 11,04 1,092 2,223 1.588 83,669 30 6 0,8 5,505 8,021 1,030 1,788 783,0 85,414 30 7 0,6 4,003 4,065 977,5 1,227 199,6 87,671 30 8 0,4 2,498 2,412 966,5 0,757 45,66 88,617 31 9 0,2 1,497 2,253 965,0 0,453 15,3 88,709 31
Tabel 4.3 Kesimpulan hasil uji tan δ : No. Parameter tan δ Hasil Uji Standar
VDE Keterangan 1 Tan δ pada pengujian 0,2 Un 22,53 x 10-3 40 x 10-3 Baik
2 Nilai kenaikan rata-rata tan δ 8,70 x 10-3 2,5 x 10-3 Investigasi 3 a. Nilai maksimum tan δ pada
kenaikan 0,2 Un 43,69 x 10
-3
5 x 10-3
Investigasi b. Nilai maksimum tan δ pada
penurunan 0,2 Un 39,56 x 10
-3 Investigasi
Deteroriasi isolasi yang terjadi sebagai akibat adanya partial discharge yang timbul karena ruang udara pada isolasi. Dengan indikasi besarnya nilai tan δ yang melebihi standar yang ditentukan, maka semakin besar pula kemungkinan partial discharge yang dihasilkan.
Berdasarkan data yang terukur pada Tabel 4.5, nilai faktor disipasi dielektrik dapat kita cari dengan perhitungannya dengan rumus berikut :
!" (tan !) = !!!!! (4.3)
Berdasarkan rumus di atas, maka dapat kita cari nilai tan δ saat 0,2 Un dengan mencari nilai Rs terlebih dahulu, :
!!=!!! (4.4) !!= 12,55 !" (453)!!" = 12,55 ! 10!! 205.209!10!!"= 61160 ! Sehingga dapat kita cari besarnya nilai tan δ :
tan ! (0,2 !!) = !!!!! (4.5)
= 2!". !!. !!
= 2 ! 3,14 ! 50,08 ! 61160 ! 961,2 ! 10!!"
tan ! 0,2 !! = 314,5 ! 61160 ! 961,2 ! 10!!"= !, !"#$# Besarnya tan δ dalam % adalah :
tan ! % = 0,01848 ! 100 = !, !"! % 4.3 Tegangan Tinggi DC
Pengujian ketahanan (withstand test) dengan tegangan tinggi dc ini dilakukan untuk mengetahui ketahanan isolasi terhadap tegangan uji yang diberikan dalam waktu yang ditentukan, yaitu satu menit. Berikut hasil uji tegangan tinggi DC :
Tabel 4.4 Hasil pengujian tegangan tinggi DC
No. Tegangan Tinggi DC (kV) Arus Bocor (µA) Keterangan
1 2,9 0,00 - 2 5,2 0,00 - 3 10,1 0,00 - 4 15,0 0,00 - 5 18,2 1,00 - 6 20,1 1,00 - 7 22,9 4,00 - 8 23,4 4,00 -
9 24,2 5,00 Ditahan selama 1 (satu) menit *Suhu belitan : 26oC
Pada saat tegangan 24,2 kV arus bocor yang timbul adalah sebesar 5 µA. Selama satu menit pada tegangan tersebut, tidak terjadi adanya perubahan arus bocor secara signifikan. Arus bocor yang terukur adalah antara 4 – 5 µA dalam rentang waktu satu menit tersebut. Kita anggap arus bocor yang terjadi selama pengujian tegangan tinggi adalah 5 µA. Jika kita rubah nilai arus bocor tersebut menjadi nilai tahanan, dimana nilai tahanan ini selanjutnya kita sebut sebagai nilai tahanan isolasi, maka :
!(!)= !(!) ! !"(!) (4.6)
!"(!)= !(!)
Jika kita masukkan tegangan uji (E(t)) dan arus bocor (I(t)) yang terukur pada waktu (t)
yang sama, maka besarnya tahanan isolasi (IRt) adalah :
!"(!)= 24,2 ! 10! 5 ! 10!! !"(!)= 24,2 5 ! 10! !"(!)= 4,84 ! 10! ! = !"!# !"
Dari hasil perhitungan di atas, dapat diketahui besarnya arus bocor 5 µA menunjukkan bahwa, saat belitan uji diberikan tegangan tinggi DC sebesar 24,2 kV, besarnya nilai tahanan isolasi adalah 4840 MΩ dalam jangka waktu satu menit. Nilai tahanan isolasi ini dapat kita koreksi pada suhu 40oC dengan persamaan :
!! = !! !!!
Karena suhu belitan saat pengujian adalah 26oC, maka faktor koreksinya adalah 0,38, sehingga :
!!= 0,38 ! 4840
!!= 0,38 ! 4840 = !"#$, ! !"
Untuk mengetahui apakah besarnya nilai tahanan isolasi pada suhu 40oC tersebut termasuk dalam kategori baik atau buruk, maka dapat kita bandingkan dengan Tabel 4.12 berikut :
Tabel 4.5 Rekomendasi tahanan isolasi minimum pada suhu 40oC Tahanan Isolasi Minimum (MΩ) Spesimen Uji
IR1 min = kV + 1 Untuk belitan yang dibuat sebelum tahun 1970
IR1 min = 100 Untuk armatur DC dan belitan AC yang dibuat setelah
tahun 1970
IR1 min = 5 Untuk belitan dengan tegangan kerja dibawah 1 kV
Catatan :
- IR1 min merupakan rekomendasi tahanan isolasi minimum dalam satuan magaohms pada suhu 40oC
- kV merupakan rating mesin tegangan antar terminal.
Besarnya nilai tahanan isolasi minimum untuk sampel belitan motor 6,6 kV ini adalah 100 MΩ. Sehingga besarnya arus bocor yang timbul selama satu menit pengujian tegangan tinggi DC masih dikatakan kecil, karena lebih besar dari 100 MΩ.
Berdasarkan hal tersebut, kualitas isolasi yang diuji telah memenuhi syarat uji ketahanan tegangan tinggi.
Tidak adanya breakdown yang terjadi selama pengujian tegangan tinggi DC, mengindikasikan kondisi isolasi tahan terhadap tegangan tinggi yang akan diberikan nantinya.
5. KESIMPULAN
1. Pemanasan isolasi belitan sangat mempengaruhi besarnya nilai tahanan isolasi. Hal ini dikarenakan berkurangnya kadar air pada isolasi tersebut setelah dilakukan pemanasan.
2. Besarnya nilai tahanan isolasi dan arus bocor pada pengujian tegangan tinggi DC, memenuhi syarat kualitas isolasi belitan yang baik.
3. Nilai tan δ yang tidak memenuhi standar VDE, bukan merupakan faktor utama yang menentukan kualitas isolasi belitan buruk. Hal ini akan berpengaruh pada degradasi isolasi dalam jangka waktu panjang.
4. Tahanan isolasi merupakan faktor utama yang menentukan kualitas tahanan isolasi itu baik atau buruk.
5. Tidak adanya kegagalan (breakdown) dan kecilnya nilai arus bocor pada saat pengujian tegangan tinggi DC, maka tidak akan berpengaruh besar terhadap perubahan nilai tahanan isolasi.
DAFTAR REFERENSI
[1] Setiabudy, Rudy. 2007. Material Teknik Listrik, Depok : Universitas Indonesia (UI-Press) [2] Ketaren, Heri Putra. 2010. Skripsi, S1 FT USU : “Pengaruh Objek Sekitar Terhadap
Kesalahan Pengukuran Tegangan Tinggi dengan Elektroda Bola-Bola.” Medan
[3] Surdia, Tata, & Saito, Shinroku. 1992. Pengetahuan Bahan Teknik. Pradnya Paramita. [4] IEEE Recommended Practice for Insulation Testing of AC Electric Machinery (2300 and
Above) with High Direct Voltage, IEEE Std. 95-2002 (R2007).
[5] Setyoadi. 2012. Skripsi, S1 Departemen Teknik Elektro FTUI : ”Analisis Permasalahan
[6] C. Stone, Grek; Edward A; Ian Culbert,Boulter; & Dhirrani, Hussein. 2004. Electrical
Insulation For Rotating Machines. IEEE Press.
[7] IEEE Recommended Practice for Testing Insulation Resistance of Rotating Machinery, IEEE Std. 43-2000 (R2006)
[8] IEEE Recomended Practice for Measurement of Power Factor Tip-Up of Electric
Machinery Stator Coil Insulation., IEEE Std 286TM – 2000 (R2006)
[9] Testing of The Insulation of Coils of Large High-Voltage Machines, VDE 0530
[10] Operating Manual, CDF-6000 Automatic 12 kV Capacitance & Dissipation Factor Test Set, Udeyraj Electricals Pvt. Ltd.
[11] Jones, Bill. 2009. High Voltage Breakdown Tester, HAM Magazine N.11, Desember 2009.
[12] Arismunandar, Aristono. 1978. Teknik Tegangan Tinggi, Jakarta : Pradnya Paramita. [13] Kind, Diater. 1993. Pengantar Teknik Eksperimental Tegangan Tinggi, Terjemahan:
