fStudi Penentuan Umur Belitan Stator Generator dengan

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 online 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 :
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
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
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.
b.
c.
d.
Kerusakan (breakdown) terjadi akibat formasi
pertumbuhan kanal-kanal pada sisi dua elektroda
Kanal-kanal peluahan berasal dari pinggir dari
konduktor yang bertegangan tinggi [6], [7].
Sifat tahanan (resistivitas) dari kanal peluahan
yang terbentuk akan kecil sehingga mendukung
terjadinya proses konduksi yang tinggi.
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 :
(DAT) adalah konsep hubungan antara tekanan yang terjadi
akibat peluahan parsial dalam. Spektrum dari pemualaan
dan berakhirnya tegangan dari partial discharge (DEVDIV) adalah [4] :
Gambar 2
Sedangkan contoh kanal peluahan yang berbentuk pohon
pada percobaan tembus listrik dan dapat mewakili pada
tingkat isolasi adalah :
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)
Gambar 3
Variabel-variabel pada gambar 1 merupakan proses
dari peluahan parsial, dan hubungannya dengan umur dari
perlatan. Persamaan matematisnya dapat dituliskan sebagai
berikut :
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 :
(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
Gambar 5
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 :
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] :
Gambar 6
Dan amplitude pada partial discharge ditunjukkan dalam
contoh grafik :
IV. Data Pengukuran dan Pengolahannya
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- 400C / 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
Contoh data pengukuran dan pengolahnnya
adalah untuk unit 400 dan phasa A (menggunakan software
Minitab ver.15):
3.
4.
menimbulkan delaminasi pada isolasi, dan suhu
serta tekanan mekanik.
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.
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.
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
[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
2006; Hotel Marbela Anyer: ROMAS.