ANALISIS DAN PENDETEKSIAN PARTIAL DISCHARGE PADA …

ANALISIS DAN PENDETEKSIAN PARTIAL DISCHARGE PADA ISOLASI GENERATOR TERHADAP PERFORMA GENERATOR

BERPENDINGIN HIDROGEN

Nizamul Haq1, I Made Ardita2

Departemen Teknik Elektro, Universitas Indonesia, Kampus Baru UI Depok 16424, Indonesia

Email: [email protected], [email protected]

Abstrak

Fenomena partial discharge merupakan salah satu permasalahan dalam sebuah isolasi sistem tenaga listrik, bahkan termasuk salah satu indikator yang menentukan kegagalan isolasi. Fenomena ini terjadi karena adanya void atau celah-celah berkuran mikro yang diakibatkan kecacatan produksi maupun proses operasi. Partial discharge terjadi apabila beda potensial antar sisi pada void melebihi voltage breakdown pada medium perantara di dalam void. Terdapat tiga parameter yang diamati untuk mengetahui nilai suatu partial discharge yaitu PDI (Partial discharge Intensity) dalam satuan mW, Qmax (magnitude of partial discharge) dalam satuan mV, dan PPC (Pulse Per Cycle) dalam pulse per second. Sebuah penelitian dilakukan untuk menganalisis kondisi isolasi generator pada keadaan operasi tepat setelah proses minor overhaul generator unit 4 UBP Suralaya dimana terdapat penurunan nilai tekanan hidrogen dari kondisi idealnya (3 kg/cm2). Dalam kondisi tersebut, terindikasi kenaikan aktivitas partial discharge yang cukup signifikan yang menyebabkan penurunan kualitas isolasi serta peningkatan rugi daya. Pada penelitian ini, didapatkan nilai partial discharge yang tinggi pada lokasi sensor RTD7A, RTD10C dan RTD11B dan direkomendasikan untuk dilakukan inspeksi khusus pada lokasi-lokasi tersebut. Sangat direkomendasikan juga untuk membuat standar pengoperasian generator pada kondisi tekanan hidrogen yang ideal sesuai dengan desain generator.

PERFORMANCE ANALYSIS AND PARTIAL DISCHARGE DETECTION OF

HYDROGEN-COOLED GENERATOR ISOLATION

Abstract

Partial discharge is one of the problems in electric power system isolation. It even including indicator that determines isolation system failure. This phenomenon occurs due to voids or micro cracks due to the production process of isolation and operations. Partial discharge occurs when the potential difference of the void beyond the breakdown voltage of the medium of void. There are three parameters that are observed to value the partial discharge i.e. PDI (partial discharge intensity) in mW, Qmax in mV and PPC (pulse per cycle) in of pulse per second. A study was conducted to analyze the condition of isolation of generator on the state of operation right after the minor overhaul of generator unit 4 UBP Suralaya where there is impairment of hydrogen pressure conditions ideally. In these conditions, alleged partial discharge activity which is significant enogh that causes loss of quality insulation and increased power loss. In this study, obtained the value of partial discharge on the location of the sensor RTD7A, RTD10C and RTD11B and is recommended for special inspections are performed on these locations. Highly recomended also to take standard operation of generator hydrogen pressure conditions are ideal in accordance with the design of the generator. Keyword: Partial discharge, generator isolation, hydrogen-cooled generator

Analisis dan…, Nizamul Haq, FT UI, 2014

Pendahuluan

Dewasa ini, profil beban yang dikonsumsi oleh masyarakat Indonesia memiliki pola

kecenderungan terus meningkat. Dalam hal ini, proses pembangkitan energi listrik merupakan

salah satu kunci dalam pemenuhan nilai beban yang terus meningkat. Apabila pembangkitan

energi listrik tidak cukup efektif dan efisien dalam memenuhi beban yang ada, maka akan terjadi

sebuah ketidakseimbangan yang akan berpengaruh kepada sektor-sektor lain seperti industri,

ekonomi, pembangunan dll. Generator adalah salah satu mesin listrik yang sangat penting dalam

proses pembangkitan energi listrik.

30 % kerusakan isolasi generator disebabkan oleh kegagalan elektrik akibat menahan

thermal stress dan elecrtical stress pada tegangan tinggi. Peristiwa partial discharge adalah

sebuah fenomena yang menandakan penurunan kemampuan isolasi. Partial discharge adalah

pelepasan muatan listrik pada sebagian tertentu sistem isolasi. Partial discharge dapat berujung

pada kegagalan isolasi pada sebuah generator.

Maka dari itu, pendeteksian partial discharge merupakan hal yang penting. Pemantauan

dan pengukuran secara on-line merupakan mekanisme yang bersifat preventif agar kegagalan

isolasi dapat diminimalisir. Salah satu cara memprediksi dan memantau partial discharfe adalah

menggunakan sensor kopling kapasitor dan resistant tempreature detector (RTD) pada sistem

InsulGard software. Software ini berfungsi memantau partial discharge sebagai antisipasi

kegagalan isolasi.

Pentingnya mengantisipasi fenomena partial discharge ini berujung pada pentingnya

meneliti variabel-variabel yang mengakibatkan partial discharge. Pada penelitian ini, akan

diteliti pengaruh nilai tekanan hidrogen sebagai pendingin generator terhadap perubahan nilai

partial discharge serta pengaruh kenaikan aktifitas partial discharge terhadap performa

generator.

Berdasarkan perumusan masalah diatas, penelitian dilakukan dengan mengukur aktifitas

PD pada generator IV UBP Suralaya dan melakukan analisis data sekunder hasil pengukuran.

Melalui analisis data tersebut, akan diketahui seberapa besar pengaruh perubahan nilai tekanan

gas hidrogen sebagai pendingin generator terhadap nilai partial discharge (Qmax, PDI dan Pulse

Count) serta pengaruh aktivitas partial discharge terhadap rugi daya generator.


Tinjauan Teoritis

Konstruksi dan Isolasi Stator

Pada umumnya, stator generator terdiri dari beberapa bagian kontruksi seperti berikut ini :

A. Stator frame

B. Stator Core Lamination

C. Stator Core End

D. Flexible Support Stator Core

E. Stator Coil

F. Stator Coil Isolation

G. Stator coil end

Pemeliharaan Generator (Overhaul Generator)

Generator sinkron merupakan suatu mesin listrik vital bagi suatu unit bisnis pembangkitan

tenaga listrik. Generator sinkron akan bekerja secara kontinu untuk memenuhi kebutuhan listrik

para konsumen. Seiring peningkatan waktu pakai, suatu generator akan mengalami degradasi

performa karena digunakan secara terus-menerus terlebih jika dioperasikan melebihi batas

normal. Untuk menjaga performa suatu generator agar dapat bekerja maksimal dilakukan

pemeliharaan atau perawatan generator. Perawatan suatu generator terdiri dari beberapa macam

yakni pemeliharaan sederhana, pemeliharaan sedang (minor overhaul), dan pemeliharaan serius

(mayor overhaul).

Sistem Pendinginan Generator

Sistem pendingin hidrogen ini memiliki cara kerja pendinginan yang berbeda jika

dibandingkan dengan sistem pendingin udara. Generator dengan pendingin hidrogen memiliki

sistem ventilasi yang kedap udara dan terisolasi dari lingkungan luar. Generator akan diisi penuh

dengan menggunakan hidrogen kemudian hidrogen akan bersirkulasi dengan adanya internal

blower melewati pendingin hidrogen (hidrogen cooler) sehingga hidrogen yang sudah dingin

tersebut akan menyerap panas yang ditimbulkan oleh generator. Gas akan terus bersirkulasi

sebanyak 30-40 kali per menit melewati internal blower dan hidrogen cooler tersebut.

Hukum Paschen

Hukum Paschen menyatakan bahwa tegangan yang dibutuhkan untuk melakukan

pelepasan muatan (V) pada dua electrode yang terisi oleh gas merupakan fungsi dari tekanan


gas (p) dan jarak antara dua electrode tersebut (d) [8], dimana satuan masing-masing unit

adalah:

V = Tegangan mulai breakdown (Volt)

P = Pressure gas (Torr) ; 1 kg/cm2 = 735.55 Torr = 0.9678 atm

d = gap / jarak antara 2 electrode (cm)

Gas merupakan isolator tegangan, tetapi akan berubah menjadi konduktor tegangan

apabila terjadi beda tegangan yang tinggi oleh proses ionisasi. Percobaan Paschen mencoba

meneliti nilai tegangan breakdown dari beberapa gas serta melakukan pengujian pada gas-gas

tersebut. Percobaan Paschen kemudian menghasilkan grafik breakdown tegangan sebagai

berikut :

Gambar 1. Grafik Percobaan Paschen

Dari grafik tersebut terlihat bahwa breakdown tegangan 2 elektrode dengan jarak 1 cm

masing-masing gas memiliki grafik tersendiri. Setelah melewati pressure 1 atm (atmosphere),

kondisi Voltage breakdown masing-masing gas naik seiring dengan penambahan pressurenya.

Partial discharge pada Isolasi Generator

Partial discharge dapat terjadi pada void yang terbentuk pada isolasi. Void itu sendiri dapat

terletak diantara konduktor tembaga dan isolasi, inti besi dan isolasi, maupun antara isolasi

dengan isolasi lainnya (internal void). Pelepasan muatan tersebut menimbulkan small arcing


dalam sistem isolasi sehingga akan menyebabkan penurunan kemampuan isolasi, bahkan dapat

menyebabkan kegagalan isolasi.

Gambar 2. Partial Discharge Dalam Sistem Isolasi

Partial discharge hanya terjadi pada seperempat dan tiga perempat setiap siklus tegangan

sinusoidal. Selama awal kenaikan sinyal positif, semua komponen kapasitor akan berada dalam

kondisi charging sampai inception voltage dicapai untuk masing-masing void. Inception voltage

merupakan besarnya tegangan yang dapat menimbulkan pelepasan muatan. Ketika siklus

gelombang positif mulai turun maka tegangan siklus positif akan menurun juga tetapi kapasitor

tetap berada pada keadaan charging. [2] Prinsip ini juga akan terjadi pada awal siklus negatif,

dimana pada kenaikan tegangan siklus negatif maka kapasitor akan berada pada kondisi charging

sampai inception voltage tercapai.

Gambar 3. Ilustrasi partial discharge polaritas positif dan polaritas negatif

Pengukuran Partial discharge Generator

Pengukuran partial discharge pada generator yang telah dilakukan antara lain yaitu:


-‐ Menggunakan radio AM yang dipasang pada slot stator untuk mendeteksi sinyal

elektromagnetik yang dihasilkan generator. [3]

-‐ Menggunakan current transformer (CT) frekuensi tinggi yang terhubung dengan netral

dari lilitan stator.

-‐ Menggunakan kapasitor yang dikopling dan terhubung langsung ke terminal output

generator.

Masing-masing dari metode di atas menggunakan instrumen dan rentang frekuensi yang

berbeda-beda. Dari beberapa metode di atas, kopling kapasitor lebih banyak digunakan secara

luas dalam memonitor kondisi partial discharge pada generator. Adapun parameter-parameter

yang diukur pada pengukuran partial discharge adalah:

-‐ Maximum Magnitude (Qmax)

-‐ Pulse Count (N)

-‐ Intensitas Partial discharge (PDI)

Metode Penelitian

Metode pengambilan data yang digunakan pada peneleitian ini adalah dengan

mendownload database data yang disimpan oleh software pemantau tren partial discharge yaitu

EATON InsulGard. Berikut adalah diagram algoritma proses penelitian.

Gambar 4. Algoritma Metode Penelitian


Proses pengambilan data, dibagi menjadi 2 tipe yaitu data partial discharge dan data

tekanan hidrogen dan Vout generator. Data partial discharge didapat dengan mengunduh data

yang telah direkap oleh software EATON InsulGard. Setelah proses pengunduhan data, yaitu

berupa phase resolved chart dan general trending, ditentukan batasan interval data yang dibatasi

pada sub bab batasan masalah. Dilakukan pengunduhan data general trending partial discharge

yaitu data yang berisi nilai Qmax (mV), Pulse Count dan PDI (mW). Kemudian data-data yang

telah diunduh tersebut, dicuplik sesuai batasan waktu yang telah disebutkan dan disusun ke dalam

tabel pada Ms Excel, seperti pada tabel berikut ini :

Tabel 1. Data Tekanan Hidrogen dan Partial Discharge pada Sensor

Tabel 2. Data Tekanan Hidrogen dan Partial Discharge pada Sensor (2)





Hasil Penelitian

Pola Kecenderungan Aktivitas Partial Discharge Tepat Setelah Proses Overhaul

Dengan memplot data ke dalam grafik tekanan hidrogen terhadap aktivitas partial

discharge. Maka akan didapatkan sebuah pola seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut :

Gambar 5. Grafik Pola Kecenderungan Partial discharge RTD 7A dan Tekanan Hidrogen


Gambar 6. Grafik Pola Kecenderungan Partial discharge RTD 10C dan Tekanan Hidrogen

Gambar 7. Grafik Pola Kecenderungan Partial discharge RTD 11B dan Tekanan Hidrogen

Gambar 8. Grafik Pola Kecenderungan Partial discharge CC_A dan Tekanan Hidrogen


Gambar 9. Grafik Pola Kecenderungan Partial discharge CC_B dan Tekanan Hidrogen

Gambar 10. Grafik Pola Kecenderungan Partial discharge CC_C dan Tekanan Hidrogen

Gambar 11. Grafik Pola Kecenderungan Partial discharge RTD1C dan Tekanan Hidrogen


Gambar 12. Grafik Pola Kecenderungan Partial discharge RTD2C dan Tekanan Hidrogen

Gambar 13. Grafik Pola Kecenderungan Partial discharge RTD3 dan Tekanan Hidrogen






Koefisien Korelasi Tekanan Hidrogen dengan Aktivitas Partial Discharge

Kemudian hubungan antara nilai tekanan hidrogen dan aktivitas partial discharge

dideteksi lebih jauh dengan menggunakan koefisien korelasi Pearson.


Dimana :

n = Banyaknya pasangan data X dan Y

ΣX = Total jumlah dari variabel X

ΣY = Total jumlah dari variabel Y

ΣX2= Kuadrat dari total jumlah dari variabel X

ΣY2= Kuadrat dari total jumlah dari variabel Y

ΣXY = Perkalian dari total jumlah dari variabel X dan total jumlah dari variabel Y

Berikut ini adalah tabel yang menunjukkan parameter sebuah hubungan antara dua buah

variabel yang direfleksikan oleh koefisien korelasi Tabel 5. Interpretasi Nilai Koefisien Korelasi Pearson

Setelah melakukan perhitungan pada seluruh data yang dicuplik maka didapatkan nilai

koefisien korelasi seperti pada tabel berikut ini : Tabel 6. Koefisien Korelasi H2 vs Sensor Partial Discharge


Rugi Daya Akibat Partial Discharge Setelah Masa Overhaul

Kemudian dilakukan pencuplikan data rugi daya yang terbuang akibat partial discharge.

Berikut adalah hasilnya. Tabel 7. Rugi Daya Rata-rata Akibat Partial Discharge

Pembahasan

Sensitivitas Aktivitas Partial Discharge terhadap Penurunan Tekanan Hidrogen

Melalui hasil pengolahan data yang telah disebutkan pada poin sebelumnya, penulis

dianalisa keterkaitan variabel-variabel yang dibahas dengan melakukan sebuah perbandingan

voltage breakdown yang didapat melalui teorema Paschen. Dengan memasukkan variabel nilai p

(tekanan hidrogen) ke dalam persamaan Paschen yaitu Vb(p)=13.98p -0.03, maka akan didapat

tegangan breakdown pada void isolasi. Dengan nilai tegangan output generator yang dijaga

konstan, maka beda potensial pada masing-masing void (nilai beda potensial pada masing-masing

void bervariasi) adalah konstan. Selanjutnya, dengan menyusun nilai tegangan breakdown yang

didapat melalui rumus Paschen maka didapat tabel perbandingan seperti berikut ini :


Tabel 8. Breakdown Voltage pada Void

Melalui tabel diatas kita dapat mengetahui bahwa pada 25-11-2013 pukul 23.00 WIB nilai

voltage breakdown yang terdapat pada void-void yang terisi oleh gas hidrogen pada isolasi

generator unit IV adalah sekitar 13.60 KV menurut teorema Paschen, kemudian 19.55 KV pada

tanggal 26-11-2013 pukul 01.00 WIB, 33.54 KV pada pukul 07.00 WIB dan sisanya konstan

pada nilai 44.71. Sesuai dengan teori pelepasan muatan yang berlaku bahwa pelepasan muatan

akan terjadi pada kondisi dimana beda potensial yang ada melebihi nilai tegangan tembus pada

isolasi yang membatasi sebuah medium pelepasan muatan. Hal ini tentunya menyebabkan

kenaikan aktifitas partial discharge pada generator unit 4. Dengan asumsi bahwa beda potensial

pada masing-masing void adalah berbeda namun nilainya konstan, karena nilai tegangan

generator dijaga selalu konstan pada sekitar 23 KV, maka dapat diambil kesimpulan bahwa

semakin tinggi tekanan hidrogen, maka semakin tinggi nilai tegangan breakdown pada void

sehingga nilai aktivitas partial discharge semakin rendah, begitupula sebaliknya.


Adapun nilai partial discharge tertinggi terlihat pada RTD7A, RTD10C dan RTD11B,

dengan letak spesifik terjadinya partial discharge berada pada bagian tengah isolasi antara core

dan konduktor.

Analisis Rugi Daya Akibat Partial Discharge

Melalui data hasil pencuplikan yang telah disebutkan, dapat disimpulkan bahwa tren rugi

daya yang terjadi terus meningkat seiring kenaikan tegangan output generator apabila tegangan

breakdown pada media perantara pada void masih dibawah nilai tegangan output generator.

Kemudian pada data 26 Nopember 2013 pukul 7.00 mengidentifikasi bahwa nilai energi

pelepasan muatan masih terjadi meskipun nilai tegangan breakdown sudah melebihi tegangan

output generator, hal ini terjadi karena dalam kurun waktu tersebut masih terjadi pelepasan

muatan namun dengan intensitas yang berkurang, Secara mendetail, kenaikan rugi daya

menurun dari 78.68 – 67.7 MiliWatt = 11.02 MiliWatt (Data 25 November 2013 pukul 23.00 –

26 November pukul 1.00) menjadi 79.85 – 78.68 MiliWatt = 1.07 MiliWatt (26 November 2013

pukul 1.00 sampai pukul 7.00). Sebelum kemudian turun drastis ke dalam kondisi stabil.

Apabila dibandingkan rugi daya pada kondisi aktifitas partial discharge yang stabil

dengan pada kondisi partial discharge mengalami kenaikan, maka didapatkan kesimpulan

bahwa partial discharge mempengaruhi besarnya rugi daya yang ditimbulkan selama generator

beroperasi.

Kesimpulan

Melalui penelitian dan analisis yang telah disebutkan serta pembahasan pada bab-bab

sebelumnya, dapat diambil kesimpulan bahwa penurunan tekanan hidrogen sebagai pendingin

generator berpengaruh terhadap kenaikan aktifitas partial discharge, dengan koefisien korelasi

rata-rata pada semua sensor pendeteksi partial discharge H2 vs Qmax -0.72341929, H2 vs PID -

0.7270838, H2 vs Pulse Count -0.74328224. Kemudian kenaikan aktifitas partial discharge

setelah proses overhaul generator disebabkan oleh voltage breakdown yang menurun dikarenakan

penurunan tekanan gas hidrogen yang bersirkulasi dan mengisi seluruh void pada isolasi

generator dari kondisi idealnya yaitu 3.2 kg/cm2. Pada kondisi tekanan hidrogen yang tidak ideal

(sesuai dengan desain generator), nilai partial discharge yang cukup tinggi terdeteksi berada pada

daerah isolasi winding dimana terpasang RTD7A, RTD10C dan RTD11B, dengan letak spesifik


terjadinya partial discharge berada pada bagian tengah isolasi antara core dan konduktor.

Aktifitas partial discharge mempengaruhi besarnya rugi daya pada isolasi generator meskipun

bernilai rendah. Pada kurun waktu 72 jam (pencuplikan data penelitian) didapatkan jumlah energi

rata-rata yang terbuang adalah 346.485 miliWatt pada masing-masing sensor. Dengan pada

kondisi aktifitas partial discharge berada pada kondisi tertinggi yaitu pada 25-11-2013 pukul

23.00, dan pada 26-11-2013 pukul 01.00 nilai rugi daya nya adalah 146.25 miliWatt yaitu

42.209% dari total daya yang terbuang akibat partial discharge selama waktu penelitian. Perlu

diperhatikan bahwa untuk memulai sistem geneartor, sangat direkomendasikan untuk dimulai

setelah tekanan gas hidrogen sebagai pendingin mencapai titik ideal sesuai dengan desain

masing-masing generator berpendingin hidrogen. Pada generator 4 UBP Suralaya PT. Indonesia

Power nilai idealnya adalah 3.2 kg/cm2. Perlu adanya tindak lanjut lebih terhadap sebuah tren

partial discharge pada generator 4, yaitu dengan memberikan sebuah batasan terkait kenaikan

aktifitas partial discharge dan memberikan inspeksi khusus terhadap isolator yang memiliki

peluang tinggi mengalami kegagalan terutama pada titik dimana terdapat sensor RTD 07, RTD

10 dan RTD 11 dikarenakan partial discharge yang tinggi. Perlu adanya sebuah tambahan fitur

keamanan pada pengontrolan tekanan hidrogen sebagai pendingin generator unit 4 UBP Suralaya,

yaitu fitur pendeteksian ketidakidealan tekanan hidrogen apabila nilainya kurang dari batas ideal

yang ditentukan.


Kepustakaan

[1] Hudon, Claude &Belec. 2005. Partial discharge Signal Interpretation for Generator

Diagnostics. IEEE Journal, vol. 12, no. 2.

[2] Paoletti, Gabe&Golubev. 1999. Partial discharge Theory and Applications to Electrical

Systems. IEEE Journal.

[3] Claude Kane, Alexander Golubev. 2006. Use of Resistive Temperature Detectors as Partial

discharge Sensors in Rotating Equipment. IEEE International Symposium on Electrical

Insulation

[4] Greg C. Stone. 1996. Application of Partial discharge Testing to Motor and Generator Stator

Winding Maintenance.IEEE Transaction of Industry Application, VOL. 32, NO. 2,

MARCH/APRIL 1996

[5] IEEE Std 1434-2000. 2005. IEEE Trial-Use Guide to the Measurement of Partial discharges

in Rotating Machinery. IRIS Power LP, PD Investigaton – Winding Design & Failure

Mechanism, PD Theory & Detection, PD Investigation. IRIS Seminar

[6] Warren. Partial discharge Testing : A Progress Report, Vibration Spartking-PD Patterns. Iris

Power IRMC 2011.

[7] Triadi Susetryo. Analisis Rugi Daya Akibat Peluahan Parsial pada Belitan Stator Generator.

Universitas Indonesia,2010

[8] IS/IEC 60270 (2000): High – Voltage Test Techniques – Partial discharge Measurements

[ETD 19: High Voltage Engineering]


Documents

ANALISIS DAN PENDETEKSIAN PARTIAL DISCHARGE PADA …