Presentasi Sidang Tugas Akhir (Gasal 2013 - 2014) Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro ITS
Pengujian Dan Simulasi Sistem Isolasi Motor Pada Beberapa Kondisi Lingkungan Di Laboratorium Siti Sudatul Aisyah Novianti NRP . 2211 106 021 Pembimbing : 1. Dr.Eng.I Made Yulistya Negara,ST.,M.Sc. 2. Dimas Anton Asfani,ST.,MT.,Ph.D.
1
PENDAHULUAN Pemeliharaan motor
Pengujian tahanan isolasi dan indeks polarisasi
Saat Kondisi Normal
Saat Kondisi Terjadi Kelembaban
Saat Kondisi Terjadi Kontaminasi
Simulasi Rangkaian Ekivalen Tahanan Isolasi
Kesimpulan Page 3
Kenapa Kelembaban? Kelembaban pada isolasi belitan motor dapat menyebabkan oksidasi, penurunan kualitas isolasi dan kerusakan koneksi,kelembaban yang tinggi menyebabkan kondensasi bebas pada peralatan, dimana dapat mengakibatkan bahaya hubung singkat.
Page 4
Kenapa Kontaminasi? Kontaminasi ini akan mempengaruhi kekuatan isolasi, dapat menyebabkan tracking, dan flashover. Kontaminasi pada isolasi belitan motor bisa diakibatkan adanya minyak, oli, garam, debu yang bercampur dengan bahan kimia,serta partikel yang mengumpul menjadi konduktif ,atau kontaminasi juga bisa karena pemeliharaan yang salah misalnya karena overgreased. Page 5
Kerusakan isolasi stator motor akibat kelembaban dan kontaminasi
Kerusakan bearing Tracking pada isolasi Hubung singkat Hubung singkat dan isolasi akibat dalam coil akibat kontaminasi antar phasa Kontaminasi greased
• • •
http://soemarno.org/2008/09/15/typical-kerusakan-winding/ M.Culbert(MIEEE), “A review of cleaning method for motor winding” ,IRIS POWER LP, 2008 Greg C. Stone, Edward A. Boulter, Ian Culbert, Hasnain Dhirani , “Electrical Insulation for Rotating Machines – Design, Evaluation, Aging, Testing and Repair”, Wiley – IEEE Press, 2004
6
Kelembaban dan kontaminasi menyebabkan korosi pada stator dan rotor
7
Pengujian Tahanan Isolasi dan Indeks Polarisasi 𝐼𝑅 min 10 PI= 𝐼𝑅 min 1 Tabel 1. Pengertian Hasil Dari Nilai Indeks Polarisasi[3] Indeks Polarisasi
Keterangan
< 1.0
Buruk Sekali
1 s/d 1.4
Buruk
1.5 s/d 1.9
Diragukan
2.0 s/d 2.9
Sedang/Cukup
3.0 s/d 4.0
Bagus
>4.0
Bagus Sekali
[3] FLUKE corporation, Insulation Resistance testing aplication note, fluke dgitial library,2007.
Page 8
Rangkaian Ekivalen Tahanan Isolasi Arus Absorpsi Menurut IEEE std 43-2000 Arus Bocor Permukaan
Arus Kapasitansi
Arus Konduktansi
1/10 RTG
RTG Tegangan test dari alat ukur
CTG Tahanan Terbesar saat Pengujian Impedansi internal alat ukur
1/10 CTG
Page 9
Kurva arus yang termonitor dari rangkaian ekivalen tahanan isolasi Menurut Standar IEEE 43 2000 Arus konduktansi (IG)= konstan=0
ITArus total Arus absorpsi (IA) nilai sangat awal Arus cukup bocor permukaan (IL) Arus Kapasitansimempunyai (IC) nilainya tinggi, dan terus singkat, turun sampai nilainya konstan, tapi saat ada besar tapi berlangsung sangat mendekati nilaisudah nol kelembaban dan kontaminasi sebelum menit pertama nilainya 0 nilainya sangat besar
Page 10
Resistansi terhadap Ground (RTG) Kapasitansi terhadap Ground (CTG) [4] RTG=RT.KT Dimana : RTG= Resistansi terhadap ground (MΩ) KT = koefisien tahanan isolasi pada temperatur °𝐶 RT = Tahanan rata-rata hasil pengukuran tahanan isolasi pada saat temperatur °𝐶
CTG= 𝒁𝟐 − 𝑹𝑻𝟐 Dimana : CTG= Kapasitansi terhadap ground (nF) Z =impedansi sistem isolasi motor RT =Tahanan rata-rata hasil pengukuran tahanan isolasi pada saat temperatur °𝐶 [4] McKinnon,David L. Using Six Fault Zone Approach For Predictive Maintanance On Motors.2011.
Page 11
RANCANGAN PERCOBAAN DAN PENGUJIAN
Page 12
SAAT KONDISI NORMAL Motor Induksi 3 phasa
Motor dioperasikan selama 14 hari ( 10 jam/hari)
MegaOhm Meter/ Insulation Tester
Setiap hari dilakukan pengujian tahanan isolasi dan indeks polarisasi
Page 13
SAAT KONDISI KELEMBABAN Humidifier
Chamber (Akrilik)
Motor Induksi
Humidy meter
Motor dan Humidifier dioperasikan selama 14 hari ( 10 jam/hari)
Kelembaban mencapai 95%
Setiap hari dilakukan pengujian tahanan isolasi dan indeks polarisasi
Page 14
SAAT KONDISI KONTAMINASI
Motor dan Humidifier dioperasikan selama 14 hari ( 10 jam/hari)
Setiap hari dilakukan pengujian tahanan isolasi dan indeks polarisasi
[6] Yamamoto.M,and Ohashi.K, “Salt Contamination of External of High Voltage Apparatus and its Countermeasurs”,IEEE Transaction,1961.
Page 15
Kenapa harus diukur setiap hari?dan hanya 14 hari? Karena percobaan yang dilakukan pada tugas akhir saya ini adalah percobaan accelerated agging, dimana motor diberi kelembaban diatas batas kelembaban yang seharusnya (≥95%), sehingga setiap hari harus dicek bagaimana progres penurunan nilai tahanan isolasi dan indeks polarisasinya. Idealnya motor dioperasikan pada lingkungan yang kering dan bersih, kelembaban < 60%. (50% ∓5%) Data yang diambil hanya sampai hari ke-14 karena data pengujian tahanan isolasi pada hari ke 14 sudah dapat mewakili akibat kelembaban dan kontaminasi pada tahanan isolasi dan indeks polarisasi.
•
•
Ivan,Pica “The Effect of thermal and radiation accelerated ageing on the AC Electric Motor Paramter” , National Atomic Energy Agency Sugarman and Sheets, “The Accelerated Aging of a Small Electric Motor,” 1987 International Coil Winding As 16 sociation, Inc. and IEEE Electrical Insulation Conference, EIC/EMCWA, 1987
HASIL DAN ANALISA
Page 17
DATA PENGUJIAN SAAT KONDISI Tahanan isolasi masih besar dan NORMAL
sampai menit ke 10 nilainya terus Tabel 2. Data pengujian tahanan isolasiyang saat kondisi naik, berartinormal isolasi dalam bersih dan kering Menit ke U-Ground keadaan V-Ground W-Ground Keterangan
(MΩ)
(MΩ)
(MΩ)
1
495.7
446.68
368.7
2
665.9
620
3
784
745
4
926
950
5
1908.1
1267
6
2028
1768.5
7
2521
1946
1956
8
2756
2524
2450
9
3621
3512
3565.8
10
3995.4
3997.8
3996.7
PI
8.06
8.95
10.84
Alat ukur: SANWA 440 MG1000 687 “Digital 845 Insulation Nilai Indeks PolarisasiTester” masih >4 yang 1096.1 berarti kualitas isolasi untuk phasa U,V dan1785 W masih bagus sekali
Suhu ambient: 31 C
Page18
Analisa data yang akan dijelaskan akan diwakili oleh[4]Phasa U Menghitung PI, RTG, dan CTG: 𝐑
𝟑𝟗𝟗𝟓.𝟒𝑴𝜴
𝟏𝟎𝒎𝒊𝒏 PI=𝑹𝟏𝒎𝒊𝒏 = 𝟒𝟗𝟓.𝟕𝑴𝜴 =8.06
RT =
𝟒𝟗𝟓.𝟕:𝟔𝟔𝟓.𝟗: 𝟕𝟖𝟒:𝟗𝟐𝟔: 𝟏𝟗𝟎𝟖.𝟏: 𝟐𝟎𝟐𝟖: 𝟐𝟓𝟐𝟏: 𝟐𝟕𝟓𝟔: 𝟑𝟔𝟐𝟏:𝟑𝟗𝟗𝟓.𝟒 =1970.11 𝟏𝟎 40−31 10
Kt=(0.5)
MΩ
= (0.5)0.9 =0.536 RTG=KT.RT= 0.536x1970.11 =1055.97 MΩ
𝐑
1970.11 =2373.6 0.83
Z=𝒄𝒐𝒔𝑻 𝜽=
MΩ
CTG = 𝒁𝟐 − 𝑹𝟐 = 2373.62 − 1970.112 =1323.9 nF
[4] McKinnon,David L. Using Six Fault Zone Approach For Predictive Maintanance On Motors.2011
Page 19
Rangkaian Ekivalen Tahanan Isolasi Saat Kondisi Normal (Phasa U) Indeks Polarisasi Nilai
Isolasi dalam keadaan
8.06
Bagus Sekali
RTG
Resistansi terbesar saat pengujian
1/10 R2
CTG
Impedansi internal alat ukur
1/10 C1 Page 20
Tahanan Isolasi (Megaohm)
Kurva Tahanan isolasi terhadap waktu ( dari hasil pengujian ) Phasa U Saat Kondisi Normal (Phasa U)
4000 3500 3000 2500
Perbandingan kurva tahanan isolasi terhadap waktu (dari hasil pengujian) dengan Kurva arus terhadap waktu (dari hasil Dari Simulasi kedua kurva ini terlihat bahwa kurva Rangkaian ekivalen) waktu(menit) resistansi dan arus 2000 1500 1000
500
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Kurva arus terhadap waktu ( Hasil Simulasi Rangkaiansama-sama Ekivalen ) Phasa U linier tetapi berbanding terbalik
Page 21
DATA PENGUJIAN SAAT KONDISI TERJADI KELEMBABAN
Tahanan isolasi masih tetapi Tabel 3. Data pengujian tahanan isolasi saat kondisi terjadibesar kelembaban sampai menit ke 10 nilainya naik Menit ke U-Ground turun, V-Ground W-Ground disebabkan adanya moisture Keterangan (MΩ) (MΩ) (MΩ) pada isolasi motor
1
230
318.7
315.9
Alat ukur: SANWA 480.8 459 MG1000 Nilai429.1 Indeks polarisasi untuk Phasa U, V dan 590.3 “Digital W sudah dalam 542.6 < 4, tetapi 645.3isolasi masih Insulation keadaan bagus, penurunan nilai indeks Tester” 656.1 ini diakibatkan 792.6 polarisasi karena adanya
2
321.5
3
465.6
4
599.3
5
556.7
6
697.4
7
760.1
8
863.1
9
799
10
704
656.5
780.4
PI
3.06
2.06
2.32
765.7 pada isolasi 745.1 kelembaban belitan motor Suhu 718.4 899.3 ambient: 31 C Kelembaban: 878.1 956.6 95% 784.1 974.4 22
Page 17
Analisa diwakili U, danCTGdengan Indeks Polarisasioleh Phasa RTG (MΩ) (nF) Nilai Kualitas Isolasi menggunakan Persamaan dan perhitungan 3.06 Bagus 321.43 403 yang sama untuk PI, RTG dan CTG Rangkaian Ekivalen Tahanan Isolasi Saat Kondisi Terjadi Kelembaban RTG
CTG
Resistansi terbesar saat pengujian
1/10 R2
1/10 C1
Impedansi internal alat ukur
Ada tambahan sumber AC untuk mewakili kelembaban Page 23 yang terdapat pada isolasi
Kurva Tahanan isolasi terhadap waktu (dari hasil pengujian ) Phasa U Tahanan Isolasi (Megaohm)
Saat Kondisi Kelembaban (Phasa U) 1000
800
Perbandingan kurva tahanan isolasi terhadap waktu (dari hasil pengujian) dengan Kurva arus terhadap waktu (dari Simulasi Darihasil kedua kurva ini terlihat bahwa kurva resistansi dan arus samaRangkaian ekivalen) waktu(menit) sama tidak linier dan berbanding 600
400
200
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Kurva arus tidak linier karena ada terbalik pengaruh arus bocor permukaan Kurva arus terhadap waktu (Hasil Simulasi Rangkaian Ekivalen) Phasa U saat ada kelembaban pada isolasi
Page 24
DATA PENGUJIAN SAAT KONDISI TERJADI KONTAMINASI Tabel 4. Data pengujian tahanan isolasi saat kondisi terjadi kontaminasi Menit ke
U-Ground (MΩ)
1
287.4
2
340.8
3
490.3
4
556.0
5
608.1
6
686.1
7
656.7
8
V-Ground W-Ground Keterangan (MΩ) Tahanan isolasi masih(MΩ) besar tetapi
sampai322.6 menit ke 10 nilainya naik 303 Alat ukur: turun, disebabkan adanya mositure Nilai Indeks polarisasi untuk Phasa U, V SANWA 340.8 467 dan atau garam isolasi motor MG1000 dan Wpada sudah < 4, tetapi isolasi masih 490.3 566 cukup “Digital dalam keadaan bagus (> 2) , 556penurunan nilai 684 indeksInsulation polarisasi ini Tester” diakibatkan karena adanya kelembaban 608.1 652 sekaligus kontaminasi pada isolasi belitan 696.1 674 Suhu ambient: motor 31 C 666.7
784.1
747.0
757.1
884
9
796.8
766.8
867
10
686.9
654.9
702.9
PI
2.39
2.03
2.32
Kelembaban: 95%
Page 25
Analisa diwakili oleh Phasa U, dan dengan Indeks Polarisasi RTG (MΩ) CTG (nF) menggunakan Persamaan dan perhitungan Nilai Kualitas Isolasi 2.39 sama untuk Cukup BagusPI, RTG 313.9 dan CTG 393.5 yang Rangkaian Ekivalen Tahanan Isolasi Saat Kondisi Kontaminasi (Phasa U) RTG
CTG
Resistansi terbesar saat pengujian
1/10 R2
1/10 C1
Impedansi internal alat ukur
Ada tambahan sumber AC untuk mewakili kelembaban kontaminas yang terdapat pada isolasi
Kurva Tahanan isolasi terhadap waktu (dari hasil pengujian ) Phasa U Tahanan Isolasi (Megaohm)
Saat Kondisi Kontaminasi (Phasa U) 800 700
Perbandingan kurva tahanan isolasi terhadap waktu (dari hasil pengujian) dengan Kurva arus terhadap waktu (dari hasil Simulasi Rangkaian ekivalen) Dari kedua kurva ini terlihat bahwa 600 500 400 300 200 100
0 0
1
2
3
4
5
6
7 8 9 10 resistansi dan arus samakurva waktu(menit) Kurva arus tidak linier karena ada sama tidak linier dan berbanding pengaruh arus bocor permukaan terbalik Kurva arus terhadap waktu (Hasil Simulasi Rangkaian Ekivalen)dan Phasa U saat ada kelembaban kontaminasi pada isolasi
Page27
KESIMPULAN
Page 28
nilai indeks polarisasi untuk Phasa U adalah saat kondisi normal nilainya 8.06, saat kelembaban nilainya 3.06 , dan saat kontaminasi nilainya 2.39. Nilai indeks polarisasi antara kondisi normal, kelembaban, dan kontaminasi adalah semakin mengecil , yang berarti kualitas isolasi motor semakin menurun, hal ini disebabkan adanya uap air (embun air) saat terjadi kelembaban pada isolasi motor dan adanya uap air sekaligus garam saat terjadi kontaminasi pada isolasi motor. Rangkaian ekivalen tahanan isolasi dibuat untuk memonitor arus pada isolasi motor dari hasil pengujian, yaitu pada kondisi normal memonitor arus absorpsi, sedangkan pada saat terjadi kelembaban dan kontaminasi arus yang dimonitor adalah arus absorpsi dan arus bocor permukaan. Gambar kurva tahanan isolasi terhadap waktu dari hasil pengujian dengan kurva arus terhadap waktu hasil simulasi gambarnya berbanding terbalik, karena sesuai dengan hukum ohm yaitu arus berbanding terbalik dengan resistansi
Page 29
TERIMA KASIH “MANJADDA WAJADA”
30
31
Pada aplikasinya apakah harus tiap hari diukur ,karena harus dimatikan terlebih dahulu? Pada aplikasinya, misalnya di pembangkit , pengujian tahanan isolasi tentu saja tidak dilakukan setiap harinya, tetapi saat ada pemeliharaan periodik yaitu: • Pemeriksaan sederhana yang dilakukan setiam 8.000 jam • Pemeriksaan sedang, setiap 16.000 jam • Pemeriksaan serius , setiap 32.000 jam Tetapi, apabila motor atau peralatan listrik tiba-tiba mengalami kerusakan atau gangguan, maka pengujian tahanan isolasi merupakan pengujian yang paling sederhana dan mudah untuk mengetahui kemampuan isolasi motor, sebelum melakukan test atau pengujian lainnya.
32
Akibat kelembaban pada Indeks polarisasi
33
Akibat kelembaban pada Tahanan Isolasi
34
Akibat kontaminasi pada Indeks polarisasi 8.25 10, 7.78
7.5
20, 7.45 30, 7.06
6.75
40, 6.78 50, 6.12
6
60, 5.84 70, 5.52
5.25
80, 5.21
Indeks Polarisasi
90, 4.91
4.5
100, 4.55 110, 3.88 120, 3.46
3.75
3 130, 2.54 140, 2.39
2.25 1.5 0.75 0
0
10
20
30
40
50
60
70 80 90 Jam operasi
100
110
120
130
140
150
35
Akibat kontaminasi pada Tahanan Isolasi 700
Tahanan ISolasi
600
80, 567.5 90, 565.4 70, 543.8 60, 513.7 10, 507.1 100, 500.7 50, 490.3 110, 489.7 20, 485.9 120, 449.1 40, 443.5 30, 431.2 130, 410.2
500 400 300
140, 287.4
200 100 0 0
10
20
30
40
50
60
70 80 90 100 110 120 130 140 150 jam operasi
36
Saat kondisi normal 500 10, 498.3
100, 497.4 60, 496.8 110, 496.7 130, 496.6 120, 496.3 70, 496.280, 496.290, 496.2 50, 496.1 30, 495.7 140, 495.7 40, 494.7 20, 494.4
Tahanan Isolasi
495
490
485
480
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
jam operasi 37
Saat Kondisi Normal 20, 8.08 10, 8.06 30, 8.06 40, 8.06 50, 8.06 140, 8.06 110, 8.05 130, 8.05 60, 8.04 70, 8.04 80, 8.04 90, 8.04 100, 8.04 120, 8.04
8.05
Indeks Polarisasi
8 7.95 7.9 7.85 7.8 7.75 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
Jam operasi
38
Fungsi pemeliharaan -
Untuk meminimalisir kecelakaan Untuk memperpanjang life time peralatan Untuk mengurangi kerugian akibat perbaikan Untuk menghindari shutdown yang tidak diinginkan Untuk keselamatan kerja Menghindari downtime agar bisa menguntungkan perusahaan pengguna motor atau peralatan listrik
39
Kenapa harus 14 hari? Setiap harinya baik pada kondisi normal , kelembaban, maupun kontaminasi selalu dilakukan pengujian tahanan isolasi, dengan begitu dapat dilihat seberapa besar pengaruh kelembaban dan kontaminasi yang diberikan, terhadap nilai tahanan isolasi dan indeks polarisasinya pada motor yang diuji, dan dikarenakan keterbatasan waktu penelitian dan juga pada hari ke 14 sudah dapat terlihat pengaruh kelembaban dan kontaminasi pada nilai tahanan isolasi dan indeks polarisasi motor , maka diambil data sampai hari ke 14 untuk semua kondisi , setidaknya data tersebut dapat mewakili bahwa kelembaban dan kontaminasi dapat menyebabkan turunnya nilai tahanan isolasi dan indeks polarisasi pada motor.
40
Mekanisme Kegagalan insulasi Belitan Stator Mekanisme kegagalan dari lilitan stator adalah • Penurunan usia menyebabkan kerapuhan, penyusutan, dan retakan pada isolasi • Sebab-sebab elektris korona, slot discharge, petir, switching surge, fasa-tunggal, tegangan tidak seimbang, efek panas berlebih, dan uji kegagalan • Sebab-sebab mekanis getaran, ikatan dan pasak longgar, bar amortisseur patah, bilah kipas, besi longgar, koneksi longgar, sinkronisasi close-in atau out-of-step, dan benda asing • Penyebab panas overloading, panas berlebih dari laminasi hubung-singkat, siklus termal, kehilangan pendingin, panas berlebih dari kegagalan isolasi, dan tape separation. • Penyebab lingkungan dan kontaminasi lingkungan debu atau partikel conducting, kelembaban, minyak, dan partikel magnetik 41
KEUNTUNGAN & KERUGIAN PENGUJIAN TEGANGAN DC • KEUNTUNGAN • KERUGIAN •
• • • • • •
Lebih dipiih pada peralatan yang memiliki nilai charge kapasitansi yang sangat tinggi, seperti kabel. Lebih rendah merusak isolasi daripada tegangan AC. Tes dapat dihentikan sebelum terjadi kegagalan peralatan. Pengukuran dapat diambil secara bersamaan. Data historis dapat dikompilasi dan tersedia untuk evaluasi. Tidak perlu ada tes tahanan isolasi terpisah sebelum tes overpotential DC. Ukuran dan berat peralatan signifikan berkurang dibandingkan dengan tegangan uji AC.
• •
•
• •
Sisa charge setelah uji tegangan DC harus dihilangkan dengan hati-hati. Waktu yang dibutuhkan untuk melakukan uji tegangan tinggi lebih lama dibandingkan dengn uji tegangan tinggi AC. Dimungkinkan adanya efek berbahay akibat pengujian tegangan tinggi DC pada beberapa jenis kabel. Kerusakan yang tidak terdeteksi dengan DC, dapat menyebabkan kegagalan saat tegangan AC. Temperatur dan tegangan mempengaruhi resistivitas.
42
Gill,Paul, Electrical equipment maintanance and testing .,CRC press,2008
PENGUJIAN TAHANAN ISOLASI
Short Time Readings
Time–Resistance Readings
PI test
Step-Voltage Readings (DC Voltage Tip-Up Test)
• hanya mengukur nilai tahanan isolasi untuk jangka waktu pendek seperti 30 atau 60 detik. Hasil dari pembacaan ini hanya mengindikasikan keadaan isolasi secara kasar. Penurunan yang berkelanjutan merupakan indikasi adanya kerusakan isolasi
• Sebuah sistem isolasi yang baik akan menunjukkan terus meningkatnya nilai tahanan selama periode waktu di mana tegangan diberikan
• biasa dilakukan untuk pengujian daya serap dielektrik. Rasio PI yang kurang dari 1 menunjukkan kerusakan peralatan dan butuh segera dilakukan pemeliharaan. Tes ini digunakan untuk sistem isolasi kering seperti tipe transformer, kabel
• tegangan diberikan secara bertahap ke isolasi yang diuji dengan metode mengontrol tegangan. Saat tegangan meningkat, isolasi yang lemah akan menunjukkan ketahanan yang lebih rendah
43
Gill,Paul, Electrical equipment maintanance and testing .,CRC press,2008
