Modul Praktikum Partial Discharge

MODUL PRAKTIKUM PARTIAL DISCHARGE

Dosen Mata Kuliah : DR. UMAR KHAYAM

SEKOLAH PASCA SARJANA JURUSAN TEKNIK ELEKTRO INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2014

Modul Praktikum Partial Discharge

1. DAFTAR ISI

1. DAFTAR ISI

2

2. PENDAHULUAN

3

3. TUJUAN PERCOBAAN

3

4. TEORI

4

5. RANGKAIAN & SETUP PERCOBAAN

12

5.1 PERALATAN YANG DIGUNAKAN DAN SPESIFIKASINYA

12

5.2 SKEMA & PRINSIP KERJA

14

5.3 FOTO – FOTO – FOTO PERALATAN

15

6. PROSEDUR PERCOBAAN

20

1


2. PENDAHULUAN

Media isolasi, baik padat, cair maupun gas dituntut untuk memiliki kualitas yang baik terkait fungsinya dalam mengisolasi tegangan listrik terhadap bagian lainnya. Ketidak-seragaman medan listrik dalam media isolasi / dielektrik akan mengakibatkan terjadinya fenomena Partial Discharge dimana hal ini akan berujung pada kegagalan isolasi itu sendiri. Pada percobaan ini akan dilakukan pengukuran dan analisa dari kemunculan Partial discharge pada objek uji. 3. TUJUAN PRAKTIKUM

Tujuan Praktikum Lab Diagnosis ini adalah: 1. Memahami prinsip rangkaian pengujian Dalam praktikum modul pertama ini, metoda pengukuran PD menggunakan metoda elektrikdan non elektrik. Metoda elektrik menggunakan detecting impedance dan HFCT (high frequency current transformer). Metoda

non-elektrik

menggunakan

antenna

untuk

mendeteksi

gelombang

elektromagnetik yang diradiasikan oleh partial discharge. Terdapat beberapa macam jenis antena yang digunakan: antenna loop dan antenna multi (kupu-kupu). Pada jenis loop antenna, gelombang akan masuk diantara konduktor dan akan dirubah menjadi arus listrik. 2. Memahami parameter dan karakteristik partial discharge Parameter yang harus diketahui dalam mendeteksi partial di scharge adalah a. Pengukuran sinyal background, Pengukuran background terdiri dari background off dan background on. Background off adalah kondisi noise saat rangkaian pengujian masih dalam kondisi off, sedangkan background on adalah kondisi noise pada saat pengujian sudah dinyalakan , tapi tegangannya masih 0 kV. b. Pengukuran sinyal pada PDIV (partial discharge inception voltage), Pengukuran sinyal saat PDIV adalah saat sinyal PD pertama kali muncul. Sinyal PD negatif pada objek elektrode jarum biasanya muncul terlebih dahulu daripada sinyal PD positif. c.

Pengukuran gelombang arus partial discharge Sama halnya dengan pengukuran sinyal saat PDIV, sinyal arus PD juga dideteksi pada polaritas negatif dan positif. Parameter yang harus diketahui adalah time rise (tr), time fall (tf) dan amplitudo. tr biasanya 10-90% A dan tf adalah 100-10% A 2


d. Pengukuran pola fasa partial discharge. Pengukuran ini adalah untuk membandingkan sudut fasa sinyal PD terhadap sinyal sumber tegangan, baik pada PDIV negatif ataupun PDIV positif. e. Pengukuran pola urutan pulsa Dengan melihat gambaran detail sinyal baik pada polaritas negatif maupun positif dapat diketahui jarak atau delta t pada setiap sinyak yang muncul pada setiap puncak tegangan. Pada pengukuran ini posisi time/div disetting menjadi micro second. 4. DASAR TEORI 4.1 Definisi Partial Discharge

Definisi Partial Discharge (IEC 60270) adalah suatu fenomena peluahan listrik secara lokal yang menghubungkan secara parsial atau sebagian dari isolasi di antara konduktor dan yang terjadi baik di permukaan konduktor maupun di dalam konduktor (void). Peluahan ini dapat terjadi pada suatu penghantar (konduktor) dalam waktu singkat, baik pada jarak dekat maupun pada pada jarak yang jauh. Partial Discharge (PD) dapat terjadi pada bahan isolasi padat, bahan isolasi cair maupun bahan isolasi gas. Secara umum Partial Discharge dapat disebabkan oleh adanya konsentrasi stress elektrik setempat pada isolasi. Ada 3 hal utama yang dapat menjadi sumber terjadinya PD, yaitu Internal PD (adanya rongga di antara dielektrik atau di dalam dielektrik tertentu), Corona PD (terjadi di sekitar konduktor) dan Surface PD (terjadi pada permukaan karena kontaminasi). Adapun penyebab dari dari terjadinya PD adalah sebagai berikut:

1. Internal PD Internal PD disebabkan oleh karena adanya rongga dalam bahan isolasi yang biasanya di isi udara (void). Dimana bentuk, ukuran dan posisi void dalam bahan isolasi sangat mempengaruhi besar dan jumlah PD. Fenomena void yang berisi udara dapat muncul di dalam isolasi selama proses pabrikasi, transportasi, instalasi dan operasi. Void dalam bentuk electrical treeing juga dapat muncul selama periode operasi dari isolasi polimer tegangan tinggi. Umumnya, void yang berisi udara memiliki permitivitas yang lebih rendah dari bahan isolasi padat sehingga void memiliki kekuatan tembus yang lebih rendah dari bahan isolasi dan akan tembus duluan sebelum bahan isolasi.

2. PD pada permukaan 3


Discharge permukaan terjadi sepanjang permukaan dielektrik dimana terdapat kuat medan listrik, permukaan tersebut dapat berupa gas atau cair. Jika discharge permukaan diobservasi hanya pada tegangan insepsinya maka tidak akan ditemukan perbedaan dengan internal discharge, tetapi jika tegangan dinaikkan maka streamer akan mulai terbentuk pada permukaan dan pola PD dapat ditemukan.

3. Korona Korona adalah jenis PD juga tapi yang terjadi di media gas di sekitar konduktor yang berjauhan dengan isolasi jenis padat atau cair. Korona dapat menjadi sumber interferensi ketika dilakukan pengujian discharge sehingga dalam tes harus dijaga jangan sampai ada bagian yang ujungnya tajam tidak hanya pada sisi tegangan tinggi tetapi juga pada lantai area pengujian. Selama terjadinya PD, ada beberapa fenomena yang menyertai terjadinya PD, antara lain arus impuls, radiasi cahaya panas, gelombang elektromagnetik, gelombang mekanik, dan proses kimia. 4.2 Model Elektroda Sumber PD Pada Peralatan Listrik Tegangan Tinggi 4.2.1 Model Elektroda Umum

1. Medan Homogen Pelat-Pelat

Gambar 4.1 Model elektroda sumber PD pelat-pelat

2. medan simetris

Pelat-Pelat

Jarum-Jarum

Bola-Bola

Gambar 4.2 Model elektroda sumber PD pada medan simetris

3. Medan non Homogen non Simetris 4


Jarum-Bola

Jarum-Pelat

Bola-Pelat

Gambar 4.3 Model elektroda sumber PD pada medan non homogen non simetris PD biasanya tidak terjadi pada medan homogen. PD bisa terjadi pada medan homogen akibat adanya void yang mengakibatkan perubahan permitivitas (ε) pada suatu material. Untuk medan simetris kemungkinan terjadi PD hanya pada konfigurasi Jarum-Jarum, sedangkan pada Bola-Bola dan Pelat-Pelat tidak terjadi PD, kecuali ada Void. Kemungkinan terjadi PD sangat besar pada medan non homogen non simetris. Medan Homogen pasti simetris sedangkan medan simetris belum tentu homogen. 4.2.2 Model Elektroda Umum untuk Pemodelan PD Jarum-Pelat

Udara/Gas/Cair/Padat

Gambar 4.4 Model Elektroda Umum untuk Pemodelan PD Untuk percobaan PD dengan media zat cair chamber harus di Vakum terlebih dahulu dan zat cair tidak harus penuh mengisi chamber. 4.2.3 Model Elektroda Sumber PD

1. GIS

Gambar 4.5 Model Elektroda GIS sebagai Sumber PD 5


Dimana 1, 2

: Benjolan di konduktor (partikel di konduktor)

3

: Benjolan di tank

4

: Free particle di tank

5

: Floating particle

6

: Partkel di spacer

7

: Void & Spacer

8

: Aerial Noise

2. Kabel Power a. Pemodelan Treeing Jarum menempel dipermukaan

Jarum tembus permukaan Jarum

Solid Material

Pelat

Gambar 4.6 Model Elektroda Kabel Power sebagai Sumber PD dengan pemodelan treeing b. Pemodelan Void

Gambar 4.7 Model Elektroda Kabel Power sebagai Sumber PD dengan pemodelan void

3. Transformer a. Model Chamber

6


Chamber

Liquid

Gambar 4.8 Model Chamber sebagai Sumber PD pada Transformer

b. Model Belitan

PD didalam belitan

Udara/Liquid

PD diluar belitan

Gambar 4.9 Model belitan sebagai Sumber PD pada Transformer

4. Rotating Machine

1 Kawat berisolasi

2

Gambar 4.10 Model Sumber PD pada Rotating Machine

7


4.3 Pengujian dan Diagnostik PD pada Peralatan Tegangan Tinggi

Pengujian dan diagnostik PD pada peralatan tegangan tinggi sangat diperlukan untuk mengetahui kondisi peralatan dan mencegah terjadinya gangguan atau kerusakan peralatan yang lebih serius akibat PD. Berikut fenomena PD dari sumber PD dan alur pengukuran PD secara umum pada peralatan tegangan tinggi:

Gambar 4.11 Fenomena PD dan alur pengukuran PD secara umum pada peralatan tegangan tinggi Pada proses pengukuran PD, monitoring PD pada time domain (t) menggunakan Oscilloscope dan pada frequency domain (f) menggunakan Spectrum Analyzer. Diagnosis partial discharge pada peralatan tegangan tinggi dilakukan dengan mengacu pada standard-standard yang telah ditentukan. Standard yang digunakan dalam diagnosis Partial Discharge adalah : 

Standard IEEE 400-2001 : “ IEEE Guide for Field Testing and Evaluation of the Insulation of Shielded Power Cable Systems”.



Standard IEEE 1434-2002 : “ IEEE Trial Use Guide to the Measurement of Partial Disharge in Rotating Machinery”.



Standard IEC 60270 : 2000 / BS EN 60270 : 2001 : “High-Voltage Test Techniques – Partial Discharge Measurements”.

8


Sedangkan metode pengukuran yang akan dilakukan pada diagnosis PD yang akan dilakukan menggunakan dua metode, yaitu; metode konvesional (metode elektrik) dan metode non konvesional (metode non elektrik). 4.3.1 Metode Elektrik pada Pengukuran dan Diagnosis PD

Pengukuran PD dengan metode elektrik adalah pegukuran langsung tegangan pada RC Detektor berdasarkan arus bocor dari proses PD. Rangkaia berikut adalah rangkaian dasar pengukuran PD dengan Metode Elektrik.

Konduktor

Isolator

Shield

I

OSC SA PDM V = I.Z

Z

Gambar 4.12 Rangkaian dasar untuk pengukuran & diagnosis partial discharge dengan metode elektrik Dari gambar di atas Rangkaian dasar untuk pengukuran & diagnosis partial discharge dengan metode elektrik terdiri dari: 

Sumber (AC, DC, atau impuls).



Resistansi pembatas memiliki fungsi agar arus yang masuk ke dalam rangkaian tersebut tidak terlalu besar.



Peralatan listrik tegangan tinggi.



Coupilng capacitor berfungsi untuk mengalirkan arus partial discharge pada frekuensi tinggi, sehingga arus bisa mengalir ke Z detecting impedance maupun osciloscop/ spectrum analyzer.



Z detecting impedance berfungsi untuk mengetahui tegangan yang timbul akibat partial discharge. Nilai impedansi Z bedasarkan nilai impedansi peralatan listrik sebesar 50 ohm, tujuannya adalah supaya sama dengan impedansi peralatan yang akan diukur sehingga sinyal 9


yang akan diukur tidak dipantulkan akibat perbedaan impedansi. Untuk mendapatkan nilai Z sebesar 50 ohm dapat dibuat beberata alternative, diantarannya:





Memasang R = 50 ohm



Membuat rangkaian Tee atau Phi

Osciloscop atau Spectrum Analyzer sebagai output dari rangkaian di atas.

4.3.2 Metode Non Elektrik pada Pengukuran dan Diagnosis PD

Pengukuran dan diagnosis PD non elektrik merupakan pengukuran yang tidak mengukur besaran elektrik. Konsep pengukuran PD non elektrik adalah dengan menggunakan sejumlah peralatan sensor dan perangkat konversi dari sensor menjadi besaran yang dapat terukur pada alat ukur seperti spectrum analyzer, PD detecting maupun osiloskop. PD yang merupakan fenomena impuls akan menyebabkan munculnya gelombang akustik, dalam kompartemen seperti GIS gelombang akustik yang cukup kuat untuk dideteksi sehingga merupakan dapat digunakan sebagai metode untuk mendeteksi PD di GIS. PD juga menyebabkan gelombang elektromagnetik dimana gelombang ini berpropagasi dari dalam sumber PD keluar bahan isolasi, PD juga menghasilkan panas yang dapat menyebabkan pemanasan disekitar isolasi dan menyebabkan kenaikan temperatur. Energi yang dilepaskan oleh PD tersebut dapat diukur menggunakan sensor sesuai dengan energinya. Partial discharge sering terjadi pada medan listrik yang sangat tinggi dan melebihi kekuatan elektrik udara. Ada beberapa metode non konvesional untuk pengukuran dan diagnosis partial discharge, diantaranya:

1. Metode UHF (ultra high frequency) Pengukuran PD menggunakan metode UHF adalah dengan mengukur gelombang yang ditimbulkan oleh partial discharge. Oleh karena gelombang frekuensi tinggi tidak dapat menembus logam, maka sensor frekuensi tinggi seperti antena loop atau dipole diletakkan sedemikian rupa sehingga dapat menerima gelombang EM yang dipancarkan PD.

2. Metode Akustik Pengukuran PD yang memanfaatkan gelombang mekanik atau vibrasi yang ditimbulkan oleh partial discharge. Gelombang ini merambat di sepanjang permukaan material yang dianalisa. Sehingga akurasi pengukuran sangat dipengaruhi oleh kontur/permukaan material dan jarak sensor terhadap sumber partial discharge.

3. Metode Thermal 10


Pengukuran partial discharge menggunakan metode thermal adalah dengan mengukur temperature atau panas dari sumber partial discharge. Daerah yang terdekat dengan sumber panas adalah daerah yang memiliki temperatur yang lebih tinggi. Sehingga untuk mendapatkan hasil pengukuran yang lebih baik, maka sensor panas diletakkan sedemikian rupa sehingga diperoleh hasil ukur yang akurat.

4. Metode Optik Pengukuran partial discharge dengan metode optik adalah dengan mengukur intensitas cahaya yang dihasilkan oleh sumber PD. Sehingga diperlukan sensor cahaya yang sensitif dan mampu menyerap cahaya dari sumber PD sebaik mungkin. Peralatan sensor optik yang dapat digunakan antara lain : Optocoupler dan Photo Multiplier Tube (PMT).

5. Metode Dekomposisi Gas Pengukuran PD berdasarkan dekomposisi gas adalah dengan mendeteksi perubahan komposisi gas SF6 yang mengalami perubahan akibat PD. Secara umum dekomposisi gas terjadi pada area GIS (gas insulated substation). Pengukuran dekomposisi gas ini dilakukan dengan menggunakan sensor gas seperti Carbon Nano Tube (CNT).

Tabel 4.1 Beberapa metode non konvesional untuk pengukuran dan diagnosis partial discharge No. Metode

1

UHF

2

Akustik

3

Thermal

4

Optik

Aplikasi

Jenis Sensor

Mengukur Gel. EM yang disebabkan oleh PD

Antena, Sensor UHF

Mengukur Gel. Mekanik atau Vibrasi yang

5

disebabkan oleh PD

Sensor Akustik

Mengukur Panas yang disebabkan oleh PD Thermokopel, RTD, dll Mengukur intesitas cahaya yang

Optocoupler, PMT (Photo

disebabkan oleh PD

Multyphase Tube)

Dekomposisi Mengukur dekomposisi gas yang

Sensor gas (Carbon Nano Tube-

Gas

CNT)

disebabkan oleh PD

Sensitivitas alat ukur harus mampu mendeteksi q min =5pc,

= ∫ 

Untuk pengukuran gelombang elektromagnetik pada metode UHF di Trafo, loop sensor diletakan diluar tepatnya di bushing, karena gel EM tidak bisa menembus dinding trafo yang terbuat dari logam. 11


5. RANGKAIAN & SETUP PERALATAN PERCOBAAN 5.1 Peralatan Yang digunakana & Spesifikasinya

a.

Trafo step up 

Merk

: Messwandler



Nomor seri

: 79/45880



Type

: LT



Vector group

:7



Tegangan

: 2x0,22/100/0,22 kV



Frekuensi

: 50



Daya

: 5 kVA



Impedansi

: 3,8%

b. Resistor pembatas 

Merk

: Messwandler



Tahanan

: 6100 Ω



Daya

: 60 Watt

c.

Coupling capacitor 

Merk

: Messwandler



Kapasitansi

: 100 pF



Tegangan

: 100 kV

d. Elektroda jarum 

Jarak antar elektroda

: 5 mm

e. HFCT 

f.

Merk

: ETS-LINDGREN

Loop Antenna 

g.

Diameter antenna

: 5 mm

RC Detector 

Rangkaian RC

h. Osciloskop

i.



Merk

: GW INSTEK



Type

: GDS-2104

PC yang dilengkapi dengan software FreeWave

Partial discharge tergantung pada tegangan yang diaplikasikan. Medan listrik di ujung jarum dapat diketahui menggunakan persamaan sebagai berikut : 12


 =  2 Besarnya tegangan yang menyebabkan terjadinya discharge disebut dengan inception voltage.

 =4.5 √ () 293 dimana: d = insulation thickness (mm) ε = dielectric constant T = Temperature (K)

Gambar 5.1 Rangkaian percobaan lab diagnosis peralatan tegangan tinggi PD dapat diamati dengan menggunakan detecting impedance, HFCT dan loop sensor Hal – hal yang akan diamati pada percobaan partial discharge adalah pengaruh perubahan gap (g), Cc, V terhadap PD. Dari perubahan tersebut hal-hal yang diamati adalah Amplitudo, tr, time sequence, frekuensi.

13


5.2 Skema & Prinsip Kerja

Percobaan Partial discharge yang akan dilakukan adalah dengan menggunakan dua metode elektrik dengan menggunakan RC Detector & HFCT. Sedangkan untuk metode non elektrik sensor yang digunakan adalah loop sensor dengan diameter 10 cm. Prinsip kerja

a.

Sumber tegangan tinggi berupa Trafo step up digunakan untuk mensuplai tegangan ke rangkaian percobaan.

b.

R pembatas, berfungsi untuk membatasi arus yang mengalir dalam rangkaian. Pemilihan nilai R harus memperhatikan kemampuan/batas arus yang mampu ditahan oleh sumber, kabel dan peralatan tegangan tinggi yang akan diuji (I mengalir
c.

Elektroda jarum berfungsi sebagai model object ya ng memungkinkan terjadinya PD

d.

Coupling Capacitor , berfungsi untuk melewatkan arus frekuensi tinggi dari sinyal Partial Discharge. Pemilihan kapasitansi dari coupling capacitor harus lebih besar dari kapasitansi

peralatan tegangan tinggi yang diuji agar saat pengisian C, C peralatan lebih cepat penuh dan pada kondisi discharges akan menjadi sumber arus (arus PD) yang akan diukur. e.

Z detecting impedance, dalam hal ini berupa rangkaian RC yang berfungsi untuk mengkonversi arus menjadi tegangan yang akan diamati melalui osciloscope atau spectrum analyzer .

f.

HFCT berfungsi untuk mendeteksi PD dengan mendeteksi arus frekuensi tinggi yang dihasilkan oleh PD

g.

Loop antena berfungsi untuk mendeteksi PD dengan metode non konvensional yaitu mendeteksi gelombang elektromagnetik yang dihasilkan oleh PD, loop sensor yang digunakan harus dapat mendeteksi gelombang PD frekuensi tinggi dengan orde 1 MHz – 1 GHz

h.

Spectrum analyzer ,untuk menampilkan nilai V dari sinyal PD.

5.3 Foto Peralatan 

Trafo Tegangan Tinggi.

14


Gambar 5.2 Spesifikasi Trafo Tegangan Tinggi



Resistor (Pembatas arus) R = 6100 ohm.

Gambar 5.3 Resistor R = 6100 Ohm



Kapasitor (untuk pengukuran) C = 100 pF

15


Gambar 5.4 Kapasitor C = 100 pF 

RC detector

Gambar 5.5 RC detector 

HFCT

16


Gambar 5.6 HFCT (high frequency current transformer) 

Loop sensor

Gambar 5.7 Loop antena 

Instrumen ukur

17


Gambar 5.8 Voltmeter



Oscilloscope

Gambar 5.9 Oscilloscope

18




PC

Gambar 5.10 PC 6. PROSEDUR PERCOBAAN

Lakukan pengamatan Background Noise pada saat sumber OFF dan ON (V=0). 6.3.1 Pengamatan Partial Dicharge Inception Voltage (PDIV) pada Elektroda Jarum-Pelat Jarum Isolasi Udara

1. Menyusun rangkaian seperti pada Gambar 5.1 Rangkaian percobaan lab diagnosis peralatan tegangan tinggidengan menggunakan RC Detector, HFCT dan loop sensor diameter 10 cm Resistor embatas Loop Antena

Coupling Electroda

ca asitor

arum Rangkaian RC

HFCT

Trafo

19


Gambar 6.1 Rangkaian percobaan

2. Melakukan kalibrasi pada osiloskop agar pengukuran bisa tepat 3. Channel yang digunakan 1, 2 dan 4. Channel 3 tidak digunakan karena rusak. 4. Menghubungkan probe channel 1 ke sumber tegangan, channel 2 ke RC Detector dan channel 4 ke HFCT

5. Melakukan setting osiloskop dengan time/div dan volt/div supaya gambar terlihat jelas 6. Menaikkan tegangan sumber secara perlahan hingga diperoleh Partial Dicharge Inception Voltage (PDIV) untuk RC Detector dan HFCT

7. Menghubungkan probe channel 1 ke sumber tegangan, channel 2 ke RC Detector dan channel 4 ke antena

8. Melakukan setting osiloskop dengan time/div dan volt/div supaya gambar terlihat jelas 9. Menaikkan tegangan sumber secara perlahan hingga diperoleh Partial Dicharge Inception Voltage (PDIV) untuk RC Detector dan antena 6.3.2 Pengamatan Partial Dicharge pada Elektroda Jarum-Pelat Isolasi Udara Pada Tegangan 1,5 x PDIV dengan Triger Positif

1. Rangkaian yang digunakan adalah gambar 6.1 2. Melakukan setting osiloskop dengan trigger positif 3. Melakukan setting osiloskop dengan time/div 1 μs 4. Melakukan pengambilan data untuk pengukuran bentuk gelombang, pengukuran pola fasa & pengukuran pola urutan pulsa.

5. Pengambilan data tersebut dilakukan untuk masing-masing sensor yang digunakan yaitu: RC detector, HFCT dan antena 6.3.3 Pengamatan Partial Dicharge pada Elektroda Jarum-Pelat Isolasi Udara Pada Tegangan 3 x PDIV dengan Triger positif

1. Rangkaian yang digunakan adalah gambar 6.1 2. Melakukan setting osiloskop dengan trigger positif 3. Melakukan setting osiloskop dengan time/div 1 μs 4. Melakukan pengambilan data untuk pengukuran bentuk gelombang, pengukuran pola fasa & pengukuran pola urutan pulsa. 20


5. Pengambilan data tersebut dilakukan untuk masing-masing sensor yang digunakan yaitu: RC detector, HFCT dan antena

21

Modul Praktikum Partial Discharge

Recommend Documents