Nurul Chasanah 1106015466
Asian Journal of Engineering and Technology (ISSN : 2321 – 2462), Volume 02 – Issue 06, December 2014
Evaluasi Kegagalan Transformer Dengan Metode Failure Mode Effect and Criticality Analysis (FMECA) Docki Saraswati1, Iveline Anne Marie2 dan Amal Witonohadi3 Production System Laboratory, Industrial Engineering Department, Trisakti University Jakarta 11440, Indonesia. Corresponding author’s email: docki.saraswati {at} gmail.com
1
2
Production System Laboratory, Industrial Engineering Department, Trisakti University Jakarta 11440, Indonesia.
3
Production System Laboratory, Industrial Engineering Department, Trisakti University Jakarta 11440, Indonesia.
Abstrak –– Salah satu perlengkapan yang sangat penting dalam sistem transmisi daya adalah transformer. Kegagalan dari transformer umumnya akan mengakibatkan interferensi dengan sistem transmisi. Oleh karena itu, kondisi dan performa dari transformer perlu diketahui, termasuk reliabilitas dan keamanan. Jurnal ini berisi tentang analisis dari sumber resiko dan probabilitas kegagalan transformer dengan metode Failure Mode Effect and Critically Analysis (FMECA). Terdapat 92 transformer yang dipakai untuk mengilustrasikan metode FMECA. Berdasarkan investigasi, terdapat tiga komponen yang berpotensi mengalami kegagalan: lilitan, OLTC, dan bushing. Dalam hal ini, lilitan memiliki probabilitas kegagalan paling tinggi. Tingkat kehandalan dan kejadian dibagi dalam 10 level, dimana deteksi kegagalan dibagi ke dalam 5 level. Hasilnya, tingkat kritis untuk lilitan tinggi, sementara load-tap-changer (OLTC) dan bushing dalam posisi medium. Strategi perawatan untuk lilitan harus segera diprioritaskan. Selanjutnya, perawatan OLTC dan bushing menjadi prioritas berikutnya. Kata Kunci –– analisis pohon kegagalan, Failure Mode Effect and Critically Analysis (FMECA), tingkat prioritas resiko (RPN), transformer.
I.
PENDAHULUAN
Salah satu perlengkapan yang memiliki peran penting dalam sistem transmisi daya adalah transformer. Kegagalan transformer biasanya menyebabkan interferensi dengan sistem transmisi. Oleh karena itu, kondisi dan performa dari transformer perlu diketahui, termasuk reliabilitas dan keamanan. Pada keadaan tertentu, kegagalan akan membahayakan keamaan manusia, tapi dalam kondisi lain, kegagalan mungkin hanya sedikit mempengaruhi. Sementara itu, dalam beberapa kasus kegagalan, semakin tinggi dampak kegagalan maka probabilitas kegagalan akan rendah. Sebaliknya, semakin rendah dampak kegagalan maka probabilitas kegagalan tersebut akan lebih tinggi. Dengan demikian, sedikit sulit untuk menentukan kegagalan mana yang perlu lebih diperhatikan, yaitu kegagalan yang memiliki resiko tinggi dan membahayakan keamanan manusia [1]. Jurnal ini mengemukakan analisis sumber resiko dan probabilitas kegagalan transformer dengan metode Failure Mode Effect dan Critically Analysis (FMECA). FMECA terdiri dari dua analisis, Failure Mode Effect (FMEA) dan Critically Analysis (CA). Perbedaan mode kegagalan dan efeknya pada sistem transformer akan dianalisis dengan FMEA, sementara urutan prioritas berdasarkan rating kegagalan dan kekuatan efek kegagalan akan diklasifikasikan oleh CA dengan data historis. FMECA merupakan alat untuk mengevaluasi potensi mode kegagalan dan efeknya secara sistematis, dan menyediakan informasi untuk mengidentifikasi aksi koreksi dari kegagalan yang terjadi. Karena FMECA bukan pemecah masalah, maka alat ini perlu dikombinasikan dengan alat lainnya, seperti analisis resiko [2], fishbone analysis [3], dan Pusat Pemeliharaan Reabilitas [4]. II.
METODE FMECA
FMECA adalah ekstensi dari FMEA, didesain untuk mengidentifikasi mode kegagalan dalan sebuah proses sebelum kegagalan terjadi dan menimbulkan resiko. Dalam menentukan resiko, FMEA memiliki tiga parameter yang akan dikalikan untuk menghasilkan Tingkat Prioritas Resiko (RPN) atau Kekritisan (C) [4]. Tiga parameter itu adalah; Kegawatan atau Severity (S) adalah penilaian seberapa serius efek dari potensi mode kegagalan terhadap komponen lainnya, subsistem, atau sistem itu sendiri, Kejadian atau Occurence (O) adalah
Nurul Chasanah 1106015466 bagaimana seringnya penyebab kegagalan spesifik diproyeksikan untuk diukur, dan Deteksi (D) adalah kemampuan untuk mendeteksi penyebab aktual atau potensi kegagalan. 𝑅𝑃𝑁 = 𝑆 × 𝑂 × 𝐷
(1)
Skala peringkat dari tiga parameter diatas adalah 1 hingga 10. Sebagai evaluasi, Severity didefinisikan sebagai durasi dari keluaran sistem hingga mode kegagalan terjadi; Occurence merupakan jumlah kejadian kegagalan, sementara deteksi didefinisikan sebagai kemampuan untuk mendeteksi kegagalan sebelum kegagalan tersebut terjadi sebagai aksi koreksi [3]. Langkah – langkah implementasi FMECA ialah sebagai berikut [4]: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Menentukan sistem yang akan dianalisis Mengidentifikasi kegagalan yang berhubungan dengan kegagalan sistem. Mengidentifikasikan potensi dampak dari suatu mode kegagalan Menentukan dan mengurutkan seberapa serius masing – masing dampak tersebut Menentukan semua potensi penyebab untuk setiap mode kegagalan Mengidentifikasi metode deteksi yang tersedia untuk tiap penyebab Mengidentifikasikan aksi yang direkomendasikan untuk setiap penyebab untuk mengurangi severity pada tiap mode kegagalan. Dalam hal ini, nilai tiap parameter diperoleh dari data statistik kegagalan pada transformer.
FMECA diasumsikan sebagai ekstensi dari FMEA, sehingga parameter yang sering digunakan pada FMEA akan digunakan pula pada FMECA. Evaluasi pada masing – masing parameter ditentukan dengan karakteriktiknya masing – masing. Parameter S (Severity) digambarkan dengan waktu pelayanan hingga kegagalan, parameter O (Occurence) ditentukan oleh tingkat kemungkinan dari kejadian, dan parameter D (Detection) digambarkan dengan level kemampuan deteksi [4]. Parameter C (critically) di FMECA didefinisikan sebagai jumlah prioritas resiko (RPN). Evaluasi untuk setiap parameter S (Severity), O (Occurence), D (Detectability), dan C (Critycally) ditunjukkan pada Tabel 1 – 4 : Tabel 1 : Parameter Severity (S)
Tabel 2: Parameter Occurence (O)
Tabel 3: Paramameter Kemampuan Deteksi (D)
Nurul Chasanah 1106015466
Tabel 4: FMECA
III.
APLIKASI PADA TRANSFORMER
Berdasarkan IEEE (C57.125-1991), kegagalan transformer didefinisikan sebagai terminasi dari stabilitas transformer untuk bekerja sesuai fungsi spesifiknya. Transformer terdiri dari tiga komponen utama ; 1) lilitan primer, yang menghasilkan flux magnet saat terhubung dengan sumber tegangan, 2) lilitan sekunder, flux magnet yang telah dihasilkan akan melalui lilitan ini melalui saluran inti, lihat Gambar.1.
Gambar 1: Prinsip Transformer 3.1 Contoh Kasus Untuk mengilustrasikan aplikasi FMECA, jurnal ini akan menguji data statistik kegagalan dari 92 transformer dengan tegangan sebesar 100 kV atau lebih di tahun 2005 hingga 2013. Sistem yang akan dianalisis berdasarkan pada data statistik kegagalan dari 92 transformer. Hasil analisis menunjukkan tiga komponen; lilitan, bushing, dan On-load-tap-changer (OLTC), memiliki potensi mode kegagalan. Probabilitas kegagalan dari lilitan, bushing, dan OLTC secara berurutan adalah sebesar 68.48%, 18.47%, dan 13.04%, lihat Gambar 2. Hasil ini memiliki kesamaan dengan pernyataan dari Xie et al [1] dimana lilitan memiliki persentase tertinggi dalam hal probabilitas kegagalan pada transformer.
Nurul Chasanah 1106015466 Gambar 2. Data Kegagalan dari 92 transformer Kesalahan dalam lilitan erat kaitannya dengan kerusakan mekanik atau material isolasi. Lilitan disusun pada rangka silinder yang mengelilingi inti, dan masing – masing lilitan terbungkus dengan kertas isolasi. Berdasarkan investigasi, penyebab utama kegagalan dalam lilitan adalah kerusakan mekanik yang terjadi pada lilitan. Gambar 3 menunjukkan pohon kegagalan dari kegagalan lilitan. Salah satu kegagalan yang sering terjadi adalah lilitan yang mengalami hubung singkat. Hal ini terjadi ketika isolasi pada kawat di coil primer atau sekunder terganggu, dan arus dapat mengalir dari satu lilitan ke lilitan lainnya [5]. Sementara itu, fungsi dari bushing adalah untuk mengisolasi tangki transformator dengan lilitan dan untuk menghubungkan lilitan ke jaringan luar transformator. Kegagalan utama bushing biasa disebabkan karena hubung singkat. Penyebab utama hubung singkat ialah kerusakan mekanis atau material yang salah pada isolator [6]. Berdasarkan statistik, jumlah kerusakan transformator yang disebabkan bushing berkisar 10% – 40% [7]. Tap changer merupakan divais pengatur tegangan yang mengubah rasio transformer dengan menambah atau mengurangkan jumlah lilitan primer dan sekunder. OLTC secara umum terdiri dari dua switch; diverter switch dan tap selector. Diverter switch mengubah tegangan tanpa memutus beban sementara tap selector memilih tap agar diverter switch tahu kearah mana arus beban disalurkan. Fungsi OLTC gagal saat tidak terjadi perubahan level tegangan [6]. Penyebab utama lilitan dan OLTC mengalami kegagalan adalah karena kerusakan mekanis, dimana kegagalan bushing terjadi karena kemampuan isolasi menurun. Penurunan isolasi ini mengakibatkan kesalahan perhitungan dalam biaya karena hal ini menghasilkan keluaran mesin dan daya listrik. Oleh karena itu, diperlukan usaha yang tinggi untuk mendeteksi kegagalan dalam sistem isolasi transformer [8]. Fungsi dari minyak trafo adalah untuk mendinginkan bagian yang aktif bekerja pada transformer, dan sebagai isolasi elektris antar bagian yang berbeda. Selanjutnya, isolasi untuk sistem pendinginan dipengaruhi oleh kualitas minyak trafo itu sendiri [6]. Penyebab utama menurunya kualitas minyak trafo adalah peristiwa oksidasi minyak, dekomposisi suhu, dan komtaminasi kelembaban. Selanjutnya, kegagalan transformer dapat dibagi menjadi tiga kategori, yaitu kegagalan lilitan, kesalahan bushing, dan kesalahan pada load-tap-changer. Mode kegagalan lilitan adalah hubung singkat. Secara definisi mode kegagalan adalah cara mengobservasi kegagalan, menggambarkan bagaimana kegagalan terjadi, dan dampaknya pada operasi kerja [9].
Gambar 3. Pohon kegagalan untuk lilitan (Frazen & Karlsson, 2007) Berdasarkan data 92 trasnformer, waktu layanan hingga kegagalan transformer disajikan pada tabel 5. Sebagai contoh, jumlah transformer yang memiliki waktu layanan hingga kegagalan antara lebih dari 12 tahun sampai 16 tahun adalah 19 unit. Tabel 5. Jumlah transformer berdasarkan waktu layanan hingga kegagalan
Nurul Chasanah 1106015466 Untuk kategori hanya satu kegagalan terukur selama umur transformer disajikan pada tabel 6. Sebagai contoh, jumlah transformer dengan satu kegagalan dalam waktu 18 tahun adalah 17 unit. Tabel 6. Jumlah transformer yang memiliki satu kegagalan dalam usianya
Implementasi dari metode FMECA mendekati untuk bagian lilitan, OLTC, dan bushing pada transformer ditunjukkan pada tabel 7. Tabel 7. Data Evaluasi FMECA untuk Transformer
Di FMECA, lilitan RPN, load-tap-changer, dan bushing adalah 108, 64, dan 72. Hal ini menunjukkan lilitan memiliki nilai tertinggi untuk tingkat kekritisan dengan kategori tinggi, sementara OLTC dan bushing berada pada kategori medium. Berdasarkan hasil analisis menggunakan FMECA, rekomendasi untuk stategi pemeliharaan perlu ditindaklanjuti. Berdasar pada tabel FMECA (tabel 4), level resiko ditentukan pada tingkat kekritisan. Stategi pemeliharaan diklasifikasikan untuk kegagalan yang berbeda atau level resisko yang berbeda, lihat Tabel 8. Tabel 8. Strategi Pemeliharaan
Berdasarkan level resiko, strategi pemeliharaan untuk lilitan dengan level resiko tinggi termasuk kedalam strategi pemeliharaan secepatnya, untuk OLTC dan bushing dengan resiko yang dapat di toleransi, strategi pemeliharaan perlu diprioritaskan. IV.
KESIMPULAN
Jurnal ini menerangkan tentang aplikasi FMECA untuk manajemen pemeliharaan transformer. FMECA dapat digunakan untuk mengidentifikasi mode kegagalan dengan efek yang signifikan pada reliabilitas sistem transformer. Berikutnya, FMECA juga menyajikan basis obyektif untuk menentukan prioritas dalam aksi pemeliharaan. Dari 92 tranformer, diperoleh tiga komponen yang berpotensi memiliki mode kegagalan, yaitu lilitan, OLTC, dan bushing. Analisis pohon kegagalan untuk ketiga komponen telah menunjukkan potensi mode kegagalan, efek kegagalan, dan penyebab kegagalan. Kegagalan severity (S) dan kegagalan kejadian (O) dibagi kedalam sepuluh tingkat, dimana parameter kemampuan deteksi (D) dibagi kedalam 5 tingkat. Kekritisan (C) dihitung dari perkalian kegawatan, kejadian, dan kemampuan deteksi. Penaksiran resiko dibagi kedalam tiga level, yaitu resiko yang dapat diterima, resiko yang dapat ditoleransi, dan resiko yang tak dapat diterima. Strategi pemeliharaaan berdarkan taksiran ini dibagi kedalam tiga strategi, yaitu pemeliharaan yang dapat ditunda, pemeliharaan yang diprioritaskan, serta pemeliharaan yang harus dilakukan secepatnya. Sebagai hasilnya, strategi pemeliharaan untuk lilitan termasuk kedalam pemeliharaan yang harus dilakukan secepatnya, sementara untuk OLTC dan bushing termasuk kedalam pemeliharaan yang diprioritaskan.
Nurul Chasanah 1106015466
V.
REFERENSI
[1] Xie, Q., Li, Y., Li, Y., Lv, F, Peng P, Large Power Transformer Failures Risk Evaluation and Maintenance Tactics, DRPT, pp.1-5, Nanjing, China, 2008. [2] Feili, H.R., Akar, N., Lotfizadeh, H., Bairampour, M., Nasiri, S. Risk Analysis of Geothermal Power Plants using Failure Modes and Effect Analysis (FMEA) Technique, Energy Conversion and Management, vol. 72, pp. 69-76, 2013. [3] Ding, S-H, Muhammad, N.A., Zulkarnain, N.H., Khaider, A.N., Kamaruddin, S. Application of integrted FMEA and Fish Bone Analysis – A Case study in Semiconductor Industry, Proceeding of the 2012 International Conference on Industrial Engineering & Operations management, Istanbul, Turkey, July 3-6, pp. 1233-1238, 2012. [4] Yssaad, B., Khiat, M., Chaker, A. Reliability Centered Maintenance Optimization for Power Distribution Systems, Electrical Power and Energy Systems, vol. 55, pp. 108-115, 2014. [5] Gill, P., Electrical Power Equipment Maintenance and Testing, 2nd ed., CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton, 2009. [6] Franzen, A., Karlsson, S., Failure Modes & Effects Analysis of Transformers, Royal Institute of Technology, KTH, Sweden, 2007. [7] Kapinos, J, Operating Damages of Bushing in Power Transformer, Transaction of Electrical Engineering, vol. 1, no. 3, pp.89-93, 2012. [8] Cabanas, M.F, Pedrayes, F., Melero, M.G., Rojas, C.H., Orcajo, J.A., Cano, J.M., Norniella , J.G. “Insulation fault diagnosis in high votage power transformers by means of leakage flux analysis”, Progress in Electromagnetic Research, vol. 114, pp. 211-234, 2011. [9] Reliability Analysis Center, Failure Mode Effects and Criticality Analysis, Concurrent Engineering Series, Rome, 1993.
