MONITORING PARTIAL DISCHARGE PADA BUSHING TRANSFORMATOR MENGGUNANKAN METODE DETEKSI KAMERA INFRARED
- 1. PENGERTIAN PARTIAL DICCHARGE
Partial discharge (peluahan parsial) merupakan peristiwa terjadinya pelepasan bunga api listrik pada suatu bagian isolasi sebagai akibat adanya perbedaan potensial yang sangat tinggi dalam bahan isolasi tersebut.
Partial discharge akan mengakibatkan kegagalan isolasi yang berujung pada short circuit dan akhirnya terjadi hal-hal yang tidak diinginkan seperti kebakaran dan lainnya.
Secara umum discharge terlihat sebagai pulsa atau signal dengan durasi jauh lebih kecil dari 1μs. Energi yang dibebaskan oleh partial discharge akan menyebabkan penurunan kualitas (degradasi) dari bahan isolasi. Hal ini dapat berakibat terbentuknya lintasan (track) menyerupai pohon yang dapat di sepanjang permukaan atau bahkan menembus bahan isolasi tersebut.
Ketika partial discharge terjadi, akan menghasilkan beberapa gejala timbulnya energi yang dilepaskan, beberapa bentuk dari energi tersebut antara lain :
· Elektromagnet : radio, cahaya dan panas
· Akustik : audio dan ultrasonik
· Gas : ozon dan oksida nitrat
Sistem pengukuran PD non-elektrik
Sistem pengukuran PD non-elektrik mendeteksi sinyal PD menggunakan sifat dan karakteristik dari proses PD yang berdasarkan pada pengukuran :
– Emisi cahaya (metode optik)
– Gelombang akustik (metode akustik)
– PD by product (metode kimiawi)
Metode-metode ini digunakan sebagai pendeteksian terjadinya partial discharge berdasarkan akibat yang ditimbulkan oleh partial discharge itu sendiri seperti gelombang elektromagnet, gelombang akustik, pemanasan lokal dan reaksi kimia.
Mekanisme Partial Discharge menurut Townsend
Discharge diawali dengan adanya elektron awal pada katoda, yang diperkuat oleh energi kinetik dari medan listrik merambat menuju anoda. Jika energi yang dimiliki cukup tinggi, elektron tersebut menumbuk atom lain sehingga terlepas elektron atom tersebut. Elektron kedua ini mengalami mekanisme yang sama dengan elektron sebelumnya dan berulang-berulang sehingga akan terjadi banjiran elektron. Jika aliran elektron sudah mampu menjembatani katoda dan anoda, maka terjadilah partial discharge.
- 2. JENIS PARTIAL DISCHARGE
- A. Partial Discharge Luar
Ionisasi berupa tumbukan dalam gas akan terjadi jika tegangan awal terlampaui pada elektroda yang runcing. Dalam medan yang sangat heterogen, banjiran elektron menghasilkan tegangan tembus yang tidak sempurna, yang muncul kembali setelah setiap setengah siklus tegangan bolak balik. Gejala ini disebut sebagai partial discharge luar atau peluahan korona.
Gambar 1.Susunan Partial Discharge Luar
Pada gambar diatas digambarkan konfigurasi elektroda plat jarum sebagai suatu rangkaian dengan partial discharge luar dan rangkaian ekivalen yang disederhanakan untuk partial discharge berbentuk pulsa.
Nilai C1 menyatakan kapasitansi yang berkaitan dengan tembus ruang gas dan akan di-discharge jika tegangan nyala U1 dari sela F tercapai.
Pembawa muatan yang terbentuk menyebabkan konduktivitas tertentu yang dinyatakan oleh R2 dalam rangkaian ekivalen. C2 merupakan kapasitansi paralel yang diinterpretasikan sebagai susunan elektroda.
Gambar 2
Dengan asumsi R2>> 1/ωC1, maka arus yang mengalir melalui R2 adalah I2 = . Jika tegangan uji ditulis sebagai u(t) = U sin ωt, maka tegangan rangkaian terbuka pada C1 pada akhir periode transien adalah u10 = sin (ωt-π/2). Jika tegangan puncak dari tegangan uji mencapai tegangan mula Ûe = ωC1R2Uz, maka tegangan nyala Uz yang muncul pada F dan C1 akan di-discharge secara bersamaan. Dengan meningkatkan tegangan tegangan u(t), maka secara berurutan C1 akan di-charge kembali oleh tegangan yang menyerupai u10 sehingga Uz tercapai kembali, dan demikian seterusnya. Dari kurva yang diperoleh untuk tegangan U1 tampak bahwa impuls partial discharge terjadi terutama pada puncak tegangan uji. Muatan yang dikompensasi dalam F pada setiap discharge adalah Q = C1Uz = .
- B. Partial Discharge Dalam
Jika di dalam dielektrik padat atau cairan dari suatu sistem isolasi terdapat rongga maka kuat medan dalam rongga akan lebih besar daripada suatu medium disekelilingnya. Jika tegangan dalam rongga melampaui tegangan nyala maka akan terjadi tembus parsial. Terutama pada tegangan bolak-balik dengan amplitudo yang mencukupi maka terjadi discharge yang berbentuk pulsa di dalam rongga. Dielektrik disekelilingnya dapat memburuk dalam jangka panjang akibat partial discharge ini, atau bahkan dengan kondisi tertentu dapat rusak oleh tembus sempurna akibat mekanisme erosi.
Gambar 3. Susunan Partial Discharge Dalam
Suatu susunan elektroda dengan partial discharge dalam diinterpretasikan dengan sistem isolasi dengan dielektrik padat yang mengandung rongga gas. Gambar tersebut juga memperlihatkan rangkaian ekivalen untuk partial discharge dalam berbentuk pulsa. Nilai C1 berhubungan dengan kapasitansi rongga yang discharge melalui F jika tegangan Uz tercapai. Nilai C2 berhubungan dengan kapasitansi yang terhubung seri dengan rongga dan C3 menyatakan kapasitansi paralel dari susunan tersebut. Untuk tegangan uji sinusoidal maka tegangan pada C1 dapat dinyatakan dengan persamaan berikut
u10 = u(t) = Û sin ωt
Nilai puncak dari tegangan uji akan mencapai tegangan awal Ue ketika nilai puncak dari tegangan hubung terbuka sama dengan Uz. Dengan demikian berlaku persamaan
Ûe = Uz
Gambar 4
Jika tegangan uji lebih besar dari tegangan awal maka terjadi charging C1 secara berulang. Tampak pada gambar tersebut bahwa pulsa-pulsa peluahan parsial terjadi terutama dalam daerah perpotongan tegangan uji.
Hubungan fasa yang berbeda dari partial discharge dalam dan luar merupakan karakteristik pembeda yang penting dari kedua gejala ini.
Muatan yang dikompensasi pada discharge untuk setiap peluahan sebesar
Q1 = (C1+C2)Uz.
- 3. DETEKSI KAMERA INFRAMERAH
Transformator merupkan peralatan listrik yang bertujuan mentransformasikan tegangan tinggi ke rendah, tegangan rendah ke tinggi. Sehingga dibutuhkan sebuah isolator yang dapat menjaga ke terjadinya kerusakan dan kontak listrik pada sebuah tansformator. Namun, hal ini akan dapat mempengaruh sebuah bahan isolator yang ada pada trnsformato. Karna adanya partial discharge di dalam bahan isolasi dapat ditentukan oleh metode sebagai berikut:
- Dissolved Gas Analysis (DGA)
- Ultrasonic
- Deteksi Emisi Akustik
- Deteksi Kamera Infrared
Metode-metode ini digunakan sebagai pendeteksian terjadinya partial discharge berdasarkan akibat yang ditimbulkan oleh partial discharge itu sendiri seperti gelombang elektromagnet, gelombang akustik, pemanasan lokal dan reaksi kimia
Dari beberapa metode yang telah ditentukan diatas ,kita dapat menggunakan metode Deteksi Kamera Infrared untuk melakuakn monitor partial discharge pada bushing pada sebuah transformator.
Teknologi kamera infrared merupakan salah satu peralatan teknologi yang dapat digunakan untuk kegiatan preventif pemeliharaan dan memungkinkan pengukuran temperatur dari jarak tertentu tanpa menyentuh objek yang diukur secara scanning serta mendeteksi perubahan temperatur hingga 0,10C, sehingga mampu mengkondisikan bahan isolasi yang mengalami perubahan. Teknologi ini bekerja dengan cara mengukur pancaran panas suatu bahan.
Semua benda yang memiliki suhu diatas nol absolute (00K atau -2730C) memancarkan sinar radiasi dalam rentang panjang gelombang sinar infra merah, sehingga metode infrared thermography dengan kemampuan deteksi perubahan temperatur hingga 0,10C akan lebih efisien dan efektif dalam mendeteksi dan melokalisasi daerah anomali dengan cara melihat langsung peta temparatur yang diperoleh. Hal-hal yang perlu untuk diperhatikan dalam melaksanakan pengukuran dengan metoda infrared thermography antara lain obyek permukaan sebagai target, media transmisi antara obyek target dengan instrumen dan lain sebagainya.
Partial discharge yang merupakan suatu bentuk kegagalan listrik yang menyebabkan hilangnya tegangan dan mengalirnya arus bocor dalam bahan isolasi tersebut tentunya menimbulkan panas yang berlebih. Panas ini tentunya dapat ditangkap oleh kamera infrared dan dapat dilakukan tindakan pencegahan sebelum kegagalan total pada isolasi terjadi.
Pengujian
Salah satu cara termudah untuk memantau unjuk kerja suatu peralatan khususnya bushing adalah dengan melihat secara visual bagaimana kondisi temperatur bushing tersebut. Monitoring dengan memanfaatkan gelombang infra merah yang dipancarkan oleh panas yang merupakan efek yang ditimbulkan oleh kegiatan partial discharge merupakan salah satu cara yang dapat ditempuh untuk deteksi awal terjadinya kegagalan isolasi khususnya bushing transformator. Walaupun panas yang terjadi dapat berasal dari sumber-sumber lain selain partial discharge, tetapi dengan metode ini dapat dilakukan kajian terhadap gejala degradasi kualitas isolasi dan faktor pemicu kerusakan bushing.
Inframerah merupakan metode yang mudah karena dapat memberikan gambaran peralatan listrik khususnya bushing untuk dimonitoring saat kondisi sedang beroperasi.
Prinsip yang dimanfaatkan oleh metode deteksi inframerah adalah dengan memanfaatkan perbedaan suhu dari bagian-bagian bushing yang memancarkan sinar inframerah yang berbeda-beda intensitasnya. Semakin tinggi suhu suatu bahan, semakin tinggi pula intensitas sinar inframerah yang dipancarkan. Dengan menggunakan kamera inframerah, pengukuran pancaran energi panas pada bushing dikonversikan menjadi suatu peta temperatur yang dapat dimanfaatkan sebagai bahan investigasi lanjutan terhadap fenomena partial discharge.
Prinsip kerja kamera inframerah adalah dengan menangkap gelombang inframerah yang diradiasikan oleh objek, mengolahnya serta menampilkan suhu dan termogram objek ukur.
Data
Permukaan bushing yang menjadi target pendeteksian panas harus langsung terlihat pada layar kamera dan tidak terhalang oleh benda lainnya walaupun memiliki pancaran radiasi yang cukup sebagai pendeteksian untuk mendapatkan keakuratan data. Media antara subjek yang diperiksa dan kamera sebagai instrumen pemeriksaan bukan media vacum melainkan media normal namun ada beberapa hal yang perlu diperhatikan seperti waktu pengambilan yang dapat mempengaruhi hasil yang didapatkan seperti panasnya matahari yang terlalu tinggi yang dapat mempengaruhi akibat refleksi sinar matahari pada kamera dan akan memberikan gambaran temperatur yang berbeda.
Pengolahan Data
Menurut standar yang dikeluarkan oleh ANSI dan IEEE tidak terdapat perbedaan yang cukup siginifikan antara temperatur yang diperbolehkan dalam operasi bushing maupun transformator. Standar bushing C57.1900 menyatakan bahwa minyak transformator tidak boleh melebihi rata-rata 950C dalam waktu 24 jam. Sedangkan untuk standar transformator C57.1200 menyatakan bahwa suhu rata-rata lingkungan 300C dan rata-rata kenaikan suhu belitan transformator tidak lebih dari 650C. Hal ini berarti bahwa suhu minyak transformator bagian atas hanya diperbolehkan rata-rata mencapai suhu 950C dan dapat mencapai maksimum pada suhu 1050C.
ANSI / IEEE C57.19.00-1991
1. Suhu ambient udara tidak di atas 40°C atau dibawah -30°C
2. Suhu isolasi minyak transformator di mana ujung bawah bushing terbenam dan permukaan mounting bushing tidak melebihi rata-rata 95°C selama periode 24 jam.
ANSI / IEEE C57.12.00-1993
1. Pendingin suhu udara terbatas ketika berpendingin udara, suhu udara pendingin (suhu ruang) tidak boleh melebihi 40°C, dan suhu udara rata-rata pendinginan untuk setiap periode 24 jam tidak boleh melebihi 30°C.
2. Rata-rata kenaikan suhu belitan bagian atas tidak boleh melebihi 65°C ketika diuji sesuai dengan C57.12.90-1999 .
ANSI / IEEE C57.12.10-1997
1. Batas atas suhu isolasi cair padatransformator harus cocok beroperasi pada rentang temperatur dari -20°C sampai 105°C, asalkan tingkat cair telah benar disesuaikan dengan tingkat 25°C.
Tentunya ada beberapa jenis bushing yang memiliki standard kemampuan tahanan terhadap suhu yang lebih tinggi sesuai dengan spesifikasi yang diberikan.
Hasil
Hasil scanning dengan menggunakan kamera inframerah akan menunjukkan gambaran berupa objek yang diukur dengan tampilan dalam warna yang sesuai dengan suhu objek. Radiasi inframerah yang dicuplik terletak pada rentang panjang gelombang tertentu dengan suhu yang terukur adalah suhu permukaan objek.
Selama dilakukannya scanning terhadap bushing, akan banyak ditemukan hasil-hasil yang dapat dijadikan dasar tindakan yang akan diambil selanjutya untuk perawatan maupun perbaikan. Level minyak juga dapat dideteksi dengan menggunakan infra merah pada bushing transformator karena lilitan transformator menghasilkan sumber panas yang dapat memanaskan minyak pada tangki maupun bushing transformator. Bushing memiliki ruang kosong yang tidak terisi minyak pada bagian atas, sehingga jika panas pada minyak bushing lebih tinggi daripada ruang kosong tersebut maka akan terlihat level minyak pada saat scanning dengan menggunakan inframerah.
Analisis Penurunan isolasi oleh Infrared
Hubungan penuaan (ageing) dan penurunan Өkualitas isolasi yang berubah terhadap temperatur kerja bushing dapat ditunjukkan dengan pendekatan teori reaksi rata-rata Arrhenius, yang menyatakan bahwa logaritma dari umur penggunaan merupakan fungsi resiprokal dari temperatur absolute (IEEE Std C57.19.100-1995) :
Log10 (hours life) = – 14,133
dimana T merupakan temperatur absolute dala