Partial Discharge

ANALISIS KARAKTERISTIK PELUAHAN SEBAGIAN

PADA ISOLASI PVC MENGGUNAKAN ELEKTRODE METODE II CIGRE
BERDASARKAN VARIASI WAKTU DAN TEMPERATUR


Upriadi¹, Gunawan², Abdul Syakur³

^1,2Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, UNISSULA

Jl. Raya Kaligawe Km.4, Semarang.

^3.Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik., UNDIP

Jl. Prof. Sudharto, Tembalang, Semarang.

ABSTRAK

Sistem transmisi dan distribusi tenaga listrik yang baik harus didukung dengan sistem isolasi kabel yang baik. Salah satun material polimer yang cukup banyak digunakan secara luas sebagai isolator perlengkapan tegangan tinggi adalah  Polyvinyl Chloride (PVC). Namun demikian pada isolasi polimer seringkali ditemukan partial discharge (PD) sehingga dapat mengalami penurunan kualitas isolasi atau degradasi. Salah satu penyebab utama terjadinya partial discharge adalah karena adanya void dalam isolasi kabel. Oleh karena itu, sangat perlu untuk mengetahui karakteristik dari partial discharge yang terjadi pada isolasi kabel, khususnya PVC

. Dalam makalah ini mempresentasikan hasil penelitian berupa pengukuran PD skala laboratorium dengan menggunakan sistem elektroda metoda II CIGRE pada tegangan AC, dengan tegangan kerja 3 kV_rms. Karakteristik PD dalam sempel diamati pada temperatur 35⁰C, 40⁰C, 45⁰C, 50⁰C dan 55⁰C.

Berdasarkan hasil pengukuran tersebut menunjukkan adanya karakteristik muatan maksimum PD (Q_max) dan jumlah pulsa PD (n) sebagai fungsi waktu dan fungsi temperatur. Besarnya rugi energi PD juga dipengaruhi oleh kenaikan temperatur yang diakibatkan oleh  aktifitas PD  tersebut pada sampel polimer. Pada suhu 35⁰C muatan maksimum PD (Q_max) positif = 61041,5 pC, (Q_max) negatif = 87329,6 pC dan  jumlah pulsa PD (n) positif = 123,(n) negatif = 641. Pada suhu 55⁰C muatan maksimum PD (Q_max) positif = 359120 pC, (Q_max) negatif = 388972,6 pC  dan  jumlah pulsa PD (n) positif = 339, (n) negatif =773

Kata kunci :  CIGRE II, Partial Discharge, PVC dan Void.

1.       PENDAHULUAN

1.1    Latar Belakang

Penggunaan tegangan tinggi merupakan salah satu upaya untuk mengurangi rugi energi dalam sistem transmisi dan distribusi daya listrik dari suatu pembangkit ke konsumen yang letaknya saling berjauhan. Karena dengan menaikkan tegangan maka arus yang mengalir menjadi  kecil sehingga rugi energi karena adanya arus dan tahanan penghantar pun menjadi kecil. Transmisi dan distribusi daya listrik itu biasanya melalui hantaran udara (Over Head Line). Namun demikian karena beberapa kelemahan hantaran udara yang diantaranya mengurangi estetika ruang dan memerlukan jarak aman yang lebar, maka sistem transmisi dan distribusi daya listrik bawah tanah sekarang banyak digunakan. Dalam sistem transmisi dan distribusi bawah tanah ini, kualitas isolasi yang baik mutlak diperlukan untuk menjamin keandalan dan kualitas penyaluran daya listrik ke konsumen. Namun demikian kegagalan atau gangguan listrik kerap terjadi dan kejadian Partial Discharge atau yang disingkat PD pada suatu void dalam material isolasi polimer dipercaya menjadi salah satu penyebab utama terjadinya breakdown atau kegagalan isolasi. Oleh karena itu perlu untuk memahami fenomena pre breakdown dari material isolasi melalui suatu pengukuran PD.

Beberapa faktor yang berpengaruh pada performansi kabel polimer adalah cacat (defect). Cacat itu dapat timbul dalam bentuk void, ketidakmurnian (impurities),dan tonjolan (protrusion) pada permukaan (interface) antara lapisan semikonduktor dan isolasi polimer. Akibat adanya stress listrik yang terus menerus maka akan terjadi  peluahan, penuaan (aging) isolasi polimer Fenomena pre breakdown dapat dideteksi dengan pengamatan dan pengukuran pulsa Partial  Discharge (PD) yang dilakukan dengan sistem pengukuran yang mendetaksi arus dengan menggunakan  elektroda metode II CIGRE yang merupakan metodologi terkini^[8] untuk memperkirakan ketahanan material isolasi yang berbeda-beda terhadap PD dan menggunakan pola Φ-q-n yang menyajikan data PD berupa waktu terjadinya tiap PD, besar muatan tiap PD dan jumlah PD yang terjadi selama pengukuran.

Adapun PVC ( Polyvinyl Chloride) digunakan  sebagai objek studi atau sample dari penelitian ini karena mengingat sebagian besar isolasi kabel memanfaatkan sifat yang dimiliki dan keistimewaan-keistimewaan yang ada pada PVC seperti sifat dielektik, kekuatan, resistansi terhadap panas, busur api, cuaca ataupun zat kimia dan sifat-sifat  lain yang mendukung aplikasinya dalam penggunaan peralatan listrik.

1.2  Tujuan

Tujuan dari pembuatan tugas akhir ini adalah untuk menganalisis karakteristik peluahan sebagian pada isolasi PVC menggunakan elektroda metode II CIGRE dengan:

1. Mengetahui pengaruh waktu penerapan tegangan terhadap jumlah partial discharge (PD) dan muatan maksimum PD pada model void dalam material isolasi polimer jenis PVC.
2. Mengetahui pengaruh temperatur terhadap jumlah partial discharge (PD) dan muatan maksimum PD pada model void dalam material isolasi polimer jenis PVC.

1.3  Pembatasan Masalah

         Pembatasan masalah pada Tugas Akhir ini adalah:

1. Pengamatan pulsa Partial discharge dilakukan melalui osiloskop digital GDS 2104, 4 channel buatan GW Instek.
2. Sampel polimer yang digunakan dari jenis PVC sheet dengan ketebalan 0.1 mm dengan elektroda metoda II CIGRE.
3. Void yang terjadi merupakan bentukan dari dua lapisan PVC dimana bagian tengah dari susunan tersebut adalah  spacer yang dilubangi dengan diameter 1 cm pada bagian tengahnya sehingga ketebalannya dianggap sama untuk setiap sampel yaitu 0.1 mm.
4. Tegangan yang diterapkan adalah tegangan AC (50Hz), dengan tegangan kerja 3 kV_rms.
5. Temperatur sampel pada saat pengukuran adalah 35⁰C, 40⁰C, 45⁰C, 50⁰C dan 55⁰C.
6. Membahas pengaruh penerapan temperatur dan lamanya waktu penerapan tegangan terhadap karakteristik PD.
7. Karakteristik partial discharge (Q_max) yang diamati adalah jumlah pulsa PD (n), besarnya muatan maksimum PD, dan tidak membahas fasa terjadinya PD.
8. Tidak membahas secara detil alat dan komponen yang digunakan dalam sistem pengukuran.

 

2.       DASAR TEORI

2.1  Isolasi Polimer  Pada Kabel

Struktur polimer dapat digolongkan menjadi dua jenis, yait:

1. Termoplastik termasuk dalam jenis ini adalah polyethylene (PE) dan polyvinyl Chloride (PVC)
2. Termoset termasuk dalam jenis ini adalah Neoprene, Hypalon, NitrilRubber, Nitril Butadiene, Ethilen Propylene Rubber dan XLPE.

2.2. Polyvinyl Chloride (PVC)

Polyvinyl Chloride ( PVC )  memiliki rumus kimia :

                                CH₂ = CHCl

PVC pertama kali digunakan sebagai isolasi kawat dan kabel pada akhir tahun 1930-an sebagai pengganti karet. PVC sekarang banyak digunakan sebagai material isolasi. PVC banyak digunakan sebagai bahan isolasi kabel mulai dari tegangan rendah hingga tegangan tinggi..

2.3. Penurunan Kualitas Isolasi

Degradasi isolasi seringkali dihubungkan dengan partial dicharge. Discharge pada interface antara dua media disebut dengan discharge permukaan (surface discharge) dan menghasilkan surface tracking. Selain di permukaan, di dalam material isolasi juga terjadi discharge internal yang dihasilkan karena stress elektrik yang tinggi melewati sebuah void yang berisi udara. Stress elektrik yang tinggi ini terbentuk akibat gradien tegangan antara tegangan yang diberikan dengan ground potensial. Partial discharge yang terjadi pada sebuah void menyebabkan penurunan kualitas isolasi yang dapat berakibat terjadinya kegagalan^].

2.4.  Peluahan Sebagian (Partial Discharge)

Peluahan sebagian atau partial discharge yang disingkat PD adalah peluahan listrik lokal yang hanya menjembatani sebagian isolasi di antara konduktor dan yang mungkin terjadi dekat dengan konduktor.

Aktivitas PD disebabkan oleh cacat dalam bentuk void (rongga), ketidakmurnian dan tonjolan atau permukaan yang runcing antara lapisan konduktor dan isolasi. PD dapat digambarkan sebagai pulsa listrik atau peluahan pada suatu rongga berisi gas atau pada sebuah permukaan dielektrik dari sistem isolasi cair, padat maupun gas. Peluahan ini hanya menjembatani secara sebagian celah antara  isolasi fasa ke ground atau isolasi antara fasa ke fasa.

Ketika pulsa PD timbul, terdapat aliran elektron yang sangat cepat antara satu sisi void yang berisi gas ke sisi lainnya. Pulsa PD ini mempunyai rise time sekitar 1 ns dan berdurasi hingga ratusan ns. PD ini merupakan busur api yang cukup kecil yang terjadi dalam sistem isolasi, karena itu menjadi makin buruknya isolasi dan sering kali menghasilkan kegagalan isolasi sempurna.

 

 Gambar 2.2. Model void dan pulsa partial discharge

        Syarat terjadinya PD yaitu adanya elektron (muatan) dan jika tekanan medan listrik yang diterapkan melebihi nilai kritis insepsi PD tersebut

2.5.  Peluahan Sebagian (PD) pada Void

Proses dasar discharge pada gas biasanya terjadi melalui dua proses, yaitu :

2.5.1. Pembangkitan ion

Kegagalan listrik yang terjadi di udara atau gas pertama-petama tergantung dari jumlah elektron bebas yang ada di udara atau gas tersebut. Konsentrasi elektron bebas ini dalam keadaan normal sangat kecil dan ditentukan oleh pengaruh radioaktif dari luar. Besarnya energi yang diperlukan untuk melepas 1 elektron adalah :

U = ½ m_e . v_e²  = e . V                                  .....( 2.1 )

Di mana :   e = Muatan elektron (coulomb)

                     V= beda potensial antara kedua elektroda (volt)

                     m_e= massa elektron (kg)

                     v_e = kecepatan elektron ( m/s).

2.5.1.1. Ionisasi Karena Benturan ( Collision ) elektron

Dalam  proses ionisasi karena benturan, sebuah elektron bebas berbenturan dengan atom atau molekul gas netral dan menyebabkan elektron baru dan ion positif. Kemudian proses ini dapat terjadi berantai dan dapat direpresentasikan sebagai berikut :

e^- + A → e^- + A^{+                                       .........}( 2.2 )

dimana A adalah atom, A⁺ adalah ion positif dan e^- adalah elektron.

Jika gradien tegangan yang ada cukup tinggi maka jumlah elektron yang diionisasikan akan lebih banyak dibandingkan jumlah ion yang ditangkap menjadi molekul oksigen. Tiap-tiap elektron ini kemudian akan berjalan menuju anoda secara kontinyu, sambil membuat benturan-benturan yang kemudian akan membebaskan lebih banyak elektron.

2.5.1.2. Foto Ionisasi

Secara umum proses fotoionisasi dapat dinyatakan dengan persamaan :

A + h .υ →  A⁺ + e^-                                                    .…. ( 2.3 )

Dimana :

A         = atom atau molekul mula – mula

A⁺            = atom atau molekul yang bebas satu elektronnya

e^-         = elektron yang dibebaskan oleh proses ionisasi

h          = konstanta planck (6,63 x 10^-34 joule )

2.5.1.3.    Ionisasi Termal

Pada prinsipnya tidak  berbeda dengan proses ionisasi karena fotoionisasi. Perbedaannya terletak pada jenis energi yang diberikan pada atom atau molekul netral. Jika gas dipanasi hingga temperatur yang cukup tinggi, maka banyak atom netral akan memperoleh energi yang diperlukan untuk mengionisasi atom atau molekul yang mereka bentur. Proses dapat dituliskan sebagai

U_i (T) + A  ↔  A⁺ + e^-.                             …. ( 2.4 )

Dimana

U_i (T) = energi panas.

A         = molekul atau atom gas mula-mula

A⁺        = molekul atom yang bebas 1 elektronnya

e^-         = elektron yang dibebaskan oleh proses ionisasi.

2.6.2.  Kehilangan ion

2.6.2.1.    Penggabungan ( attachment ) elektron

Jenis benturan yang elektron menjadi bergabung pada atom dan molekul membentuk ion negatif disebut attachment elektron. Proses ini tergantung pada energi elektron dan jenis gas. Proses attachment terjadi dengan cara

1. Attachment langsung

         AB + e → AB^-                                             …. ( 2.5 )

2.     Attachment terpisah

         AB + e →  A + B^-                                    …. ( 2.6 )

2.6.2.2.    Rekombinasi

Rekombinasi adalah kebalikan dari ionisasi, yaitu bergabungnya kembali partikel bermuatan positif dan negatif tersebut diatas.

Terjadinya void ( rongga ) yang dapat menyebabkan PD sulit dihindari dalam proses pembuatan polimer, void dapat terbentuk pada proses pabrikasi, instalasi maupun operasi kabel :

1. Pada pabrikasi, rongga udara terbentuk karena adanya udara yang bocor saat proses cross-linking dari material polimer.
2. Pada proses instalasi, seperti pada proses penyambungan kabel dimungkinkan adanya kontaminan udara sehingga terbentuk rongga udara.
3. Pada operasi kabel, seperti pada kondisi hubung singkat terjadi pembenahan termis yang besar pada kabel. Jika tekanan yang dialami melebihi batas yang dapat ditahan oleh isolasi polimer, maka ikatan polimer dapat lepas sehingga menghasilkan rongga udara.

Discharge pada void yang diteliti pada eksperimen dengan sampel PVC ini dapat dijelaskan dengan baik menggunakan rangkaian ekivalen Whitehead untuk discharge pada void seperti pada gambar 2.2.

Gambar 2.2. Rangkaian ekivalen void

Void diwakili dengan kapasitor C_g yang diparalel dengan sela percik, yang mengalami peluahan, yang terjadi ketika tegangan padanya melebihi tegangan insepsi. Sementara kapasitansi isolasi yang berada pada posisi seri dengan void diwakili kapasitor C_b dan bagian isolasi selebihnya diwakili dengan kapasitor C_m.

Jika suatu tegangan AC dengan frekuensi f dan magnitude V(t) diterapkan pada isolasi, maka tegangan void V_g (t) adalah :

                         .....(2.7)    

Besarnya muatan partial discharge pada void dinyatakan :

Q_g = C_g . V_g                                                 .…. ( 2.8 )                                  

Kapasitansi total dari seluruh isolasi polimer ( C_a ) adalah :

                .…. ( 2.9 )               

                                     

Keadaan dalam bahan isolasi padat itu jika dimisalkan pada gambar 2.3 memiliki tebal rongga sebesar t dan tebal dielektrik sebesar d  dan permitifitas relatif zat isolasi padat adalah ε_r dimana t <<d pada tegangan kerja V_a maka berdasarkan besarnya :

   .…. (2.10 )                                                    

Di mana :              V₁ = tegangan pada rongga

                                V_a = tegangan yang diterapkan

                                ε_r  = Permitifitas relatif zat isolasi         padat

 

Gambar 2.3. Rongga dalam bahan isolasi

Pada waktu gas dalam rongga gagal, permukaan zat isolasi padat merupakan anoda-katoda. Benturan –benturan elektron pada anoda akan mengakibatkan terlepasnya ikatan kimiawi zat padat. Demikian pula, pemboman katoda oleh ion-ion positif akan mengakibatkan rusaknya zat isolasi padat karena kenaikan suhu, yang kemudian mengakibatkan ketidakstabilan termal. Keadaan ini menyebabkan dinding zat padat lama-kelamaan rusak, rongga menjadi semakin besar dan zat padat bertambah tipis. Proses ini disebut erosi dan kegagalan yang diakibatkan disebut kegagalan erosi.

Jika tegangan bolak-balik V(t) yang diterapkan tidak menghasilkan kegagalan, maka bentuk gelombang yang terjadi pada void adalah V_g. Tetapi jika tegangan V_g tersebut sudah cukup besar bagi void, maka akan terjadi peluahan pada V_s sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2.4. Pada waktu terjadi peluahan dengan tegangan V_s, maka pada void timbul busur api. Busur api yang terjadi, diiringi oleh jatuhnya tegangan sampai V_r dan mengalirnya arus i(t). Busur api kemudian padam. Tegangan pada void kemudian naik lagi sampai terjadi kegagalan pada void berikutnya pada tegangan V_s. Hal ini juga terjadi pada setengah gelombang berikutnya yaitu yang negatif. Void akan meluah pada waktu tegangan void mencapai –V_s, pada waktu itu gas dalam void berada pada keadaan gagal. Akan tetapi walaupun tegangan pada void meningkat akan mencapai tegangan percik ( spark voltage ), bisa saja tidak terjadi peluahan sebagian, peluahan akan terjadi jika elektron pemicu avalanche tersedia untuk memulai peluahan sebagian.

 

Gambar 2.4. Bentuk tegangan ketika terjadi PD

2.7. Bentuk Representasi Data PD

Pulsa-pulsa PD dapat direpresentasikan dalam bentuk urutan dari pulsa-pulsa tersebut pada setiap siklus atau berupa pola Φ-q-n, Φ-q dan Φ-n. imbol Φ ini adalah sudut fase dimana PD terjadi, q adalah magnitude dari PD dan n adalah jumlah dari pulsa PD.

 

             (a)          

                       

 (b)

 

         (c)        

                                                

(d)

Gambar 2. 5. Representasi pulsa PD dalam bentuk (a) urutan pulsa

    (b) pola Φ-q-n, (c) pola Φ-q (d) pola Φ-n

2.8. Karakteristik Partial Discharge

Beberapa penelitian yang terkait dengan partial discharge telah dilakukan dan diantaranya adalah seperti yang dilakukan oleh T. Kondo dan T. Mizutani yang meneliti tentang pola PD selama penuaan isolasi polimer jenis LDPE ( Low Density Polyethylene ) terkait dengan perubahan gas yang berada dalam void dielektrik. Fenomena perubahan pola PD tersebut di atas terjadi oleh karena kadar atau volume gas dalam void yang berubah-ubah selama penerapan tegangan. T. Kondo dan T. Mizutani telah mengadakan pengamatan terhadap besarnya volume gas dalam void tertutup dan hasil pengamatan menunjukan bahwa karakteristik muatan maksimum PD dan jumlah pulsa PD dipengaruhi oleh kadar gas seperti O₂, CO, CO₂ dan H₂O yang ada dalam void yang hadir sebagai produk dari penuaan isolasi dan reaksi kimia maupun yang sudah ada sejak awal.

Gambar 2.6. Perubahan volume gas elektronegatif pada void dalam LDPE

Pada gambar 2.6 di atas menunjukan perubahan volume gas yang terukur dalam sebuah void, perubahan tersebut dibagi menjadi 4 tahap yaitu :

1. Permulaan, volume gas dengan cepat menurun mencapai kira-kira 80 % sekitar menit ke-30.
2. Setelah 30 menit berangsur-angsur naik hingga mencapai 95 % pada menit ke -125.
3. Kemudian turun secara perlahan sampai sekitar menit ke-1030 (jam ke-17).
4. Akhirnya akan naik kembali sebelum terjadinya breakdown.

Gambar 2.8 menunjukan perubahan pola PD selama pengukuran yang dilakukan oleh Teruyoshi Mizutani dan Takeshi Kondo. Dari jumlah dan muatan PD yang dihasilkan ternyata mempunyai kecenderungan yang mirip dengan perubahan volume gas. Sementara itu kadar gas elektronegatif itu sendiri sebanding dengan volume gas yang terjadi, sehingga Mizutani T dan Kondo Takeshi memberikan perkiraan perubahan kepadatan atau kadar gas elektronegatif sebagaimana gambar 2.7 berikut.

Gambar 2.7.  Perkiraan kadar gas elektronegatif dalam volume gas dalam void

Gambar 2.8.  Perubahan pola PD selama pengukuran

III. SISTEM PENGUKURAN DAN PENGOLAHAN DATA

Peralatan yang digunakan dalam mendukung penelitian ini, antara lain : Personal Computer (PC), Universal Serial Bus (USB), Digital Storage Oscilloscope GDS 2104 Four Channel buatan Good Will Instrument (GW Instek), Arester, RC detector, HPF, Elektroda II CIGRE, Kit pembangkit tegangan tinggi variable, sumber tegangan AC 220 V dan software Microsoft Excel.

1.  RC Detector

Alat ini terdiri dari rangkaian resistor dan kapasitor yang diparalel dan digunakan untuk mendeteksi pulsa PD yang terjadi pada sample dan mendeteksi sinyal yang ditransmisikan ke sebuah High Pass Filter (HPF) sehingga mendapatkan informasi mengenai sudut fasa dari tegangan sinusoidal fundamental 50 Hz yang dibangkitkan secara simultan atau bersamaan dengan tegangan yang diterapkan. Rangkaian RC ini berfungsi sebagai integrator pulsa arus PD menjadi tegangan sesuai dengan persamaan:

                                 

                                      .…. ( 3.1 ) 

Dimana i(t) adalah arus pulsa PD. C_d adalah kapasitor detektor dan V_d adalah tegangan pulsa PD.

Gambar 3.1. Konfigurasi sistem pengukuran PD

Dimana :

R_k    = Resistor ukur

C_b    = kapasitor ukur

C_a    = Kapasitor sample

R_d    = resistor detector

 I      = Arus pulsa PD

q      = muatan PD

V_d    = Tergangan PD

2. High Pass Filter (HPF)

Untuk memastikan kualitas pengukuran pulsa PD digunakan High Pass Filter (HPF). Rangkaian HPF berfungsi untuk melewatkan pulsa PD. HPF juga digunakan untuk mengeliminir noise sehingga data pengukuran menjadi lebih valid.

Rangkaian HPF dapat dilihat pada gambar berikut ini

Gambar 3.2. Rangkaian ekivalen HPF

Gambar 3.3. Rangkaian RC Detector dan HPF

3.   Osiloskop

Gambar 3.4. Osiloskop GDS 2104

Osiloskop yang digunakan dalam pengukuran ini adalah jenis Digital Real-Time Oscilloscope GDS 2104 buatan GW Instek yang kompak dan portable, memiliki 4 channel dengan bandwidth 200 Mhz, laju sample maksimum per chanel 1 GS/s. Panjang data yang direkam 500 titik per chanel, dengan kapasitas memori 4 KB. Osiloskop ini juga dilengkapi port USB, RS 232 dan GPIB.

Osiloskop ini berguna untuk menampilkan bentuk pulsa arus yang sampai ke ground sehingga dapat diketahui besarnya tegangan partial discharge dan dikoneksikan pada komputer menggunakan USB yang kemudian akan merekam peristiwa terjadinya PD pada sampel PVC. Dan osiloskop ini, dilengkapi dengan port USB sehingga dapat dilakukan pengambilan data dengan menghubungkan flashdisk dengan USB, dan akan didapatkan data dalam bentuk .csv atau microsoft excel.

4. Elekrtoda II CIGRE

Sistem elektroda metode II CIGRE yang digunakan dalam percobaan ini dapat dilihat pada gambar 3.5. Elektroda tegangan tinggi berbentuk bola ditempatkan tepat di atas sampel percobaan untuk memastikan medan elektrik yang tidak homogen dalam rongga. Dengan cara demikian terdapat sebuah konsentrasi tinggi discharge dalam area terbatas pada permukaan sampel uji coba. Untuk memungkinkan penggantian sampel dengan bahan dan dimensi yang berbeda-beda, clamp bagian atas pada elektroda dapat dipasang dan dilepas kembali.

 

Gambar  3.5. Sistem elektroda metode II CIGRE pada percobaan

5.   Arester

Arester digunakan untuk melindungi osiloskop dari tegangan lebih yang mungkin terjadi; produksi DEHN UGKF/BNC German. Body arrester dihubungkan ke ground untuk pengamanan. Alat ini berada di antara RC detector dengan osiloskop dan dipasang pada channel yang digunakan pada osiloskop.

Peralatan pengukuran tersebut kemudian dirangkai untuk keperluan pengukuran. Gambar 3.6 menunjukkan rangkaian pengukuran PD pada void menggunakan sistem elektroda metode II CIGRE.

 

 Gambar 3.6. Rangkaian pengukuran partial discharge

Sampel yang digunakan adalah polyvinile chloride ( PVC ) yang dimensi dan bahan dan susunan elektrodanya ditunjukan dalam gambar 3.7 berikut.

Gambar 3.7. Susunan sampel dan elektroda

Elektroda bagian atas pada gambar 3.7 adalah elektroda bola dari metoda II CIGRE  dengan diameter 5 mm yang sudah tercetak dalam resin padat, sedangkan bagian bawah adalah elektroda bidang atau plat yang terbuat dari logam stainless steel.

Sampel void dalam PVC di atas dibuat dengan menumpuk 2 buah lapisan PVC sejenis dengan ketebalan 0,1 mm dimana salah satu lapisan yaitu lapisan kedua atau tengah merupakan spacer. Spacer dengan ketebalan 0,1 mm ini, pada bagian tengahnya dibuat lubang lingkaran dengan diameter 1 cm yang merupakan void buatan itu sendiri.

Dalam pengukurannya, elektroda bola sebagai fasa ditempatkan tepat ditengah susunan PVC, yaitu tepatnya di atas void dan elektroda bidang sebagai ground.  Untuk mencegah agar ketiga lembaran PVC tersebut tidak bergeser selama pengukuran dan membentuk ruang atau void tertutup maka sampel void PVC dijepit dengan kedua elektroda melalui mur yang ada pada holder CIGRE.

3.1. Mekanisme Pengujian dan Pengolahan Data

Pengukuran PD pada penelitian ini, menggunakan elektroda metode II CIGRE, elektroda II CIGRE dihubungkan dengan tegangan tinggi AC (50 Hz) 3kV_rms yang merupakan tegangan insepsi, yaitu tegangan dimana PD pertama kali muncul. PD yang muncul pada sampel dideteksi dengan RC detector yang berfungsi sebagai integrator. Keluaran dari RC detector adalah hasil integrasi dari gelombang arus PD terhadap waktu dan dengan demikian tegangan keluaran ini sebanding dengan muatan PD.

V_out ~ q

Kemudian dari RC detector dihubungkan ke Channel 3 osiloskop melalui arrester, sementara Channel 1 digunakan untuk mendapatkan Fundamental Wave. Osiloskop diatur pada 20 mV/div, 5 kS/s, trigger level 0.00 V, posisi horizontal 0.00 s. Dengan menggunakan USB maka dapat merekam kejadian PD menggunakan PC melalu program FreeWave secara real-time, namun data yang direkam hanya berupa video (.wmv). Sedangkan data PD yang akan diolah (.csv) pengambilan datanya dilakukan secara manual, yaitu dengan menghubungkan Flashdisk pada port USB osiloskop. Data ini berupa file berekstensi .csv yang dapat diolah menggunakan software Microsoft Excell untuk menunjukkan pulsa PD yang terukur oleh osiloskop.

Gambar 3.8. Tampilan pulsa PD pada komputer dari Osiloskop GDS 2104 saat pengukuran

Gambar 3.9. File hasil eksekusi (.csv), terdiri dari 500 baris data dan tampilan pulsa Pdnya

3.2. Bentuk Representasi pulsa PD

Pulsa-pulsa PD hasil pengukuran ini dapat direpresentasikan pada bidang phasa tegangan dalam bentuk urutan pulsa PD atau berupa pola f-q-n. Simbol f adalah sudut phasa dimana PD terjadi, q adalah muatan pulsa PD dan n adalah jumlah pulsa PD. Setiap titik merepresentasikan sebuah pulsa PD.Makin tinggi titik berarti makin besar muatan pulsa PD yang terjadi, begitu juga semakin padat jumlah titiknya semakin banyak PD yang terjadi.

Gambar 3.10. Bentuk urutan pulsa PD pada void dengan elektroda metode II CIGRE

IV. HASIL PENGUKURAN DAN ANALSIS

Membahas hasil penelitian pengukuran PD pada void untuk jenis polimer PVC. Pembahasan yang dilakukan adalah mengenai karakteristik PD sebagai fungsi waktu dan fungsi temperatur.

4.1. Karakteristik  Jumlah Pulsa

4.1.1. Karakteristik  Jumlah Pulsa PD Sebagai fungsi waktu

Dari data hasil pengukuran, pada temperatur 35⁰C, 40⁰C, 45⁰C, 50⁰C sampai 55⁰C, didapatkan  karakteristik jumlah pulsa PD pada void PVC, seperti pada gambar 4.1, 4.2, 4.3 dan 4.4 berikut:

Gambar 4.1. Karakteristik jumlah pulsa PD pada Void PVC suhu 35⁰C

 

Gambar 4.2. Karakteristik jumlah pulsa PD pada Void PVC suhu 40⁰C

Gambar 4.3. Karakteristik jumlah pulsa PD pada Void PVC suhu 45⁰C

Gambar 4.4. Karakteristik jumlah pulsa PD pada Void PVC suhu 50⁰C

Gambar 4.5 Karakteristik jumlah pulsa PD pada Void PVC suhu 55⁰C

Berdasarkan gambar 4.1 sampai gambar 4.5 pulsa PD pada void dapat muncul pada peluahan siklus positif maupun negatif. Masing-masing siklus menunjukkan jumlah pulsa PD yang berbeda. Karakteristik jumlah pulsa PD pada siklus positif maupun negatif cenderung mengalami kenaikan seiring dengan lamanya waktu penerapan tegangan. Fenomena bertambahnya jumlah pulsa PD terhadap waktu dapat dijelaskan bahwa pada saat medan listrik diberikan terjadi ionisasi elektron. Elektron-elektron akan terionisasi dan memiliki energi kinetik yang cukup untuk memungkinkan mengionisasi atom netral dalam atom gas bila bertumbukan, dengan adanya ionisasi ini maka muncul elektron dan ion positif baru, kemudian elektron itu akan memulai proses serupa untuk menghasilkan dua elektron dan ion positif baru dan seterusnya. Jika proses ini berlangsung terus-menerus seiring pertambahan waktu maka elektron akan terus bertambah yang memungkinkan PD lebih mudah terjadi. Perubahan jumlah PD yang terjadi selama pengukuran bersifat stokastik, hal ini dapat diakibatkan antara lain oleh adanya proses rekombinasi yaitu proses bersatunya kembali elektron dan anion sehingga terjadi pemadaman PD temporer yang menyebabkan jumlah pulsa PD turun.

4.1.2. Karakteristik  Jumlah Pulsa PD Sebagai Fungsi Temperatur

Gambar 4.1 sampai gambar 4.5 masing-masing menunjukkan karakteristik jumlah pulsa PD sebagai fungsi waktu pada temperatur, Jumlah pulsa PD yang diamati masing-masing adalah jumlah pulsa PD positif dan negatif pada setiap siklus. Hasil penelitian yang telah dilakukan menunjukkan bahwa mekanisme PD dipengaruhi oleh temperatur.

Dari data pada tabel 4.1, maka dapat dibuat grafik jumlah pulsa PD terhadap waktu seperti terlihat pada gambar 4.6, menunjukkan karakteristik jumlah pulsa PD hasil pengukuran sebagai fungsi temperatur.

Gambar 4.5. Pengaruh temperatur terhadap jumlah pulsa PD

Pada gambar 4.6, Terlihat dengan menaikan temperatur maka jumlah PD semakin banyak seiring bertambahnya waktu. Dalam percobaan yang telah dilakukan, berarti memberikan suatu energi termal pada elektron dalam suatu atom polimer. Energi termal ini dapat digunakan oleh elektron pada orbit terluar (elektron valensi) untuk terionisasi dan menjadi elektron bebas. Jika energi termal yang diberikan pada elektron valensi melebihi energi ionisasi, maka kelebihan energi ini akan merupakan energi kinetik bagi elektron bebas tersebut. Sehingga elektron bebas ini dapat bergerak dan pergerakannya dipercepat oleh adanya medan listrik yang diterapkan. Elektron bebas ini dalam jumlah tertentu akan dapat membentuk suatu avalanche (banjiran) elektron, proses terjadinya banjiran elektron disebabkan ionisasi karena panas, jika polimer dipanasi sampai suhu yang cukup tinggi maka banyak elektron akan memperoleh energi yang diperlukan untuk mengionisasikan atom-atom yang mereka bentur. Ini menyebabkan elektron-elektron tersebut tidak hanya memperoleh energi dari medan listrik saja tetapi juga memperoleh energi dari pemanasan, kemudian akan dapat menimbulkan partial discharge dalam polimer. Jadi semakin tinggi temperatur suatu polimer akan semakin banyak jumlah partial discharge yang muncul.

Adapun jumlah pulsa PD siklus negatif tampak lebih banyak daripada jumlah pulsa PD siklus positif. Ini dikarenakan saat siklus negatif, elektroda bola berpolaritas negatif, sehingga elektron mula berasal dari elektroda bola. Demikian sebaliknya, saat siklus positif elektroda bola berpolaritas positif, elektron mula berasal dari polimer PVC atau gas yang berada disekitar elektroda. Karena energi ionisasi elektroda bola lebih kecil dibanding polimer atau gas maka memungkinkan elektron pada elektroda bola jauh lebih mudah keluar untuk mengawali terjadinya PD.

4.2.  Karakteristik Muatan Maksimum PD

4.2.1.  Karakteristik Muatan Maksimum PD Sebagai Fungi Waktu

            Gambar 4.6, 4.7, 4.8 dan 4.9 menunjukkan karakteristik muatan maksimum PD hasil pengukuran sebagai fungsi waktu pada tegangan 35⁰C, 40⁰C, 45⁰C, 50⁰C sampai 55⁰C_.

Gambar  4.6 Karakteristik muatan maksimum pulsa PD pada void dalam PVC suhu 35⁰C

Gambar  4.7 Karakteristik muatan maksimum pulsa PD pada void dalam PVC suhu 40⁰C

Gambar  4.8 Karakteristik muatan maksimum pulsa PD pada void dalam PVC suhu 45⁰C

Gambar  4.9 Karakteristik muatan maksimum pulsa PD pada void dalam PVC suhu 50⁰C

Gambar 4.11Karakteristik muatan maksimum pulsa PD pada void dalam PVC suhu 55⁰C

Dari gambar 4.6 sampai gambar 4.9 menunjukkan karakteristik muatan maksimum PD. Secara umum muatan maksimum PD positif maupun negatif mengalami kenaikan seiring dengan bertambahnya waktu. Saat terjadi PD, maka akan terjadi loncatan atau pelepasan busur api pada rongga. Pada waktu gas dalam rongga gagal, permukaan zat isolasi padat merupakan anoda-katoda. Benturan –benturan elektron pada anoda akan mengakibatkan terlepasnya ikatan kimiawi zat padat. Demikian pula, pemboman katoda oleh ion-ion positif akan mengakibatkan rusaknya zat isolasi padat karena kenaikan suhu, yang kemudian mengakibatkan ketidakstabilan termal. Keadaan ini menyebabkan dinding zat padat lama-kelamaan rusak, rongga menjadi semakin besar dan zat padat bertambah tipis. Proses ini disebut erosi dan kegagalan yang diakibatkan disebut kegagalan erosi. Sehingga berdasarkan persamaan 2.10 maka tegangan pada rongga akan semakin besar dan muatan maksimum PD pun semakin besar.

4.2.2.  Karakteristik Muatan Maksimum PD      Sebagai Fungsi Temperatur

Gambar 4.10 menunjukkan pengaruh temperatur terhadap karakteristik muatan maksimum PD positif dan negatif

Gambar 4.10 . Pengaruh temperatur terhadap muatan maksimum rata – rata

Gambar 4.7 sampai gambar 4.11 masing-masing menunjukkan karakteristik muatan maksimum PD positif dan negatif sebagai fungsi temperatur, sedangkan gambar 4.12 menunjukkan muatan maksimum rata-rata PD positif dan negatif sebagai fungsi temperatur. Muatan maksimum PD yang diamati masing-masing adalah muatan maksimum PD positif dan negatif pada setiap siklus. Dengan perubahan temperatur maka akan terjadi perubahan terhadap besar muatan maksimum PD. Dengan adanya kenaikan temperatur pada material isolasi polimer dan seiring dengan bertambahnya waktu muatan maksimum partial discharge yang terjadi semakin besar. Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut : jika temperatur dinaikkan akan terjadi peningkatan energi termal yang diperlukan untuk merangsang gerakan vibrasi yang cukup untuk menyebabkan pemutusan ikatan polimer dan akhirnya bahan akan mengalami ketidakteraturan struktur molekul sehingga semakin mudah munculnya partial discharge. Keadaan ini menyebabkan dinding zat padat lama-kelamaan rusak, jalur discharge akan semakin panjang dan semakin besar sehingga jalur ini akan semakin bersifat konduktif yang akhirnya akan memudahkan arus mengalir atau muatan PD semakin besar. Muatan maksimum PD positif dan negatif mengalami fluktuasi dengan pola yang tidak teratur, hal ini disebabkan oleh keadaan zat padat yang terus mengalami pemboman elektron dan ion, medan listrik lokal, dan medan listrik sisa. Medan listrik sisa lebih rendah pada temperatur yang lebih tinggi. Penurunan medan listrik sisa disebabkan oleh penurunan tekanan gas karena permeabilitas gas lebih besar atau perubahan kondisi permukaan dinding zat padat pada temperatur yang lebih tinggir.

        Adapun muatan maksimum PD negatif tampak lebih kecil daripada muatan maksimum PD positif. Ini dikarenakan saat siklus negatif, elektroda bola berpolaritas negatif, sehingga elektron mula berasal dari elektroda bola. Demikian sebaliknya, saat siklus positif elektroda bola berpolaritas positif sehingga elektron mula berasal dari polimer PVC atau gas yang berada disekitar elektroda. Karena energi ionisasi elektroda bola lebih kecil dibanding polimer atau gas, maka berdasarkan persamaan 2.5, saat terjadi pelepasan muatan (discharge), muatan elektron mula yang berasal dari elektroda bola akan lebih kecil dibanding elektroda bidang dan ini terjadi saat siklus negatif.

V. Kesimpulan

5.1.     Kesimpulan

Berdasarkan hasil pengukuran dan pembahasan yang telah dilakukan, beberapa kesimpulan yang bisa didapat dari laporan tugas akhir ini adalah sebagai berikut :

1. Karakteristik PD dipengaruhi oleh temperatur dan waktu penerapan tegangan pada bahan isolasi
2. Karakteristik jumlah pulsa PD (n) terhadap waktu (t), pada saat (t₀) n positif = 9, n  negatif = 71 sedangkan pada saat (t₆₀) n positif = 56, n negatif = 127. Artinya  jika waktu yang diterapkan dalam pengukuran semakin lama maka jumlah pulsa PD naik.
3. Karakteristik muatan maksimum (Q_max) terhadap waktu (t), pada saat (t₀) Q_max positif = 53021,44 pC, Q_max negatif = 115400 pC sedangkan pada saat (t₆₀) Q_max positif = 99805,07 pC, Q_max negatif = 68616 pC. Artinya semakin lama wakyu yang diterapkan pada bahan isolasi maka semakin tinggi pula muatan maksimumnya, sehingga akan terjadi penurunan kualitas isolasi atau degradasi.
4. Karakteristik jumlah pulsa PD (n) terhadap temperatur (T), pada saat (T₃₅^o_C) n positif = 123, n negatif = 641, sedangkan pada saat (T₅₅^o_C) n positif = 339, n negatif = 773. Artinya  jika temperatur yang diterapkan dalam pengukuran semakin tinggi maka jumlah pulsa PD naik.
5. Karakteristik muatan maksimum (Q_max) terhadap temperatur (T), pada saat (T₃₅^o_C) Q_max positif = 61041,55 pC, Q_max  negatif = 87329,6 pC sedangkan pada saat (T₅₅^o_C) Q_max positif = 359120 pC, Q_max negatif = 388972,6 pC. Artinya semakin tinggi temperatur yang diterapkan pada bahan isolasi maka semakin tinggi pula muatan maksimumnya, sehingga akan terjadi penurunan kualitas isolasi atau degradasi.
6. Jumlah pulsa PD negatif selalu lsbih besar dibandingkan dengan pulsa PD positif, itu dikarenakan saat siklus negatif, elektroda bola berpolaritas negatif, sehingga elektron mula berasal dari elektroda bola. Demikian sebaliknya, saat siklus positif elektroda bola berpolaritas positif, elektron mula berasal dari polimer PVC atau gas yang berada disekitar elektroda.

5.2.     Saran

Berikut ini adalah beberapa saran yang dapat kami kemukakan bagi para pembaca yang berminat melanjutkan untuk menyempurnakan penelitian tentang isolasi polimer pada umumnya dan PVC pada khususnya di waktu mendatang.

1. Dalam penelitian PD selanjutnya diperlukan akuisisi data yang real time (berkesinambungan dan simultan) sehingga data yang diperoleh lebih banyak dan tanpa jeda. Bila hal ini bisa dilakukan maka perkembangan pulsa dan pola PD dapat diamati lebih baik.
2. Penelitian terhadap material isolasi polimer selanjutnya dilakukan dengan perlakuan kondisi yang berbeda seperti variasi tegangan, suhu, kelembaban, dan tekanan sebagaimana kondisi saat polimer PVC digunakan dalam ketenagalistrikan.
3. Hendaknya penelitian juga dilakukan pada material isolasi yang memiliki bentuk cacat yang lain seperti adanya tonjolan dipermukaan isolasi, ketidak murnian isolasi karena ada material lain.

DAFTAR PUSTAKA

1. A,Syamsir., Dasar Pembangkitan dan Pengukuran Teknik Tegangan Tinggi, Salemba Teknika, Jakarta,2001.
2. Boogs, S. and Densely, J., Fundamentals of Partial Discharge in Context of Field Cable Testing, IEEE electrical insulation Megazine, September/Oktober-2000 vol.16 No.5.
3. Dissado, L.A. and Fothergil, J.C.,Electrical Degradation And Breakdown In Polymers, Peter Peregrinus.Ltd, London, UK, 1992.
4. Kind, D., and Hermann K., High Voltage Insulation Technology, Firedr Vieweg & Sohn, 1985.
5. Mizutani, T., and Kondo, T., PD Pattern and PD current shapes of a void in LDPE. Proceeding of the 6^th International Converence on Properties and Aplications of Dielectric Material june 21-26.Xian, China.
6. Munandar A., Teknik Tegangan Tinggi, Ghalia, Indonesia, Jakarta, 1983.
7. Munandar A., Teori Kegagalan Isolasi,Seri Teknik Tegangan Tinggi, Universitas Trisakti, jakarta.
8.  Nugroho, P.S., Studi pengukuran peluahan sebagian pada pemohonan Listrik dan Void dalam LDPE, Tugas Akhir S-1, Institut Teknologi Bandung, Bandung, 2000.
9. Paoletti.,G.J., Partial Discharge Theory and technologies related to traditional testing methods of large rotating apparatus, AISE Steel technology,2000.
10. Qureshi, M.I., Al Arainy, A.A., Malik, N.H., Electrical Insulation in Power System, Marcel Dexter.inc, New York, 1998.
11. Prasetyo, R., Studi Pengaruh Temperatur dan Kelembaban Pada Karakteristik Partial Discharge Struktur MIGM (Metal Insulation gap Metal) Menggunakan Elektrode CIGRE II. Tesis magister Program Magister teknik Elektro Bidang Khusus Teknik Tenaga Elektrik ITB, Bandung, 2004
12. Rudi,K., Studi Pengaruh Temperatur Pada Karakteristik Pemohonan Listrik Dalam Polimer, Tesis S-2, ITB, Bandung, 1998.
13. Santoro., Karakteristik Peluahan Sebagian Pada Model Void Berdasarkan Fungsi Waktu dalam PVC Menggunakan Metode Elektroda II CIGRE, Tugas Akhir S-1, Universitas Diponegoro, 2006.
14. Sulasno., Teknik dan Sistem Distribusi Tenaga Listrik, Badan Penerbit Universitas Diponegoro, Semarang, 2004.
15. [Suwarno., Pengenalan Pola Partial Discharge Untuk Diagnosis Isolasi Padat Tegangan Tinggi,Seminar Nasional dan Workshop, ITB,Bandung, 7 – 8 Desember, 1998.
16. Suwarno., Study on electrical treeingand partial discharge in Polymeric Insulating Materials, A Dissertation for The Doctor Degree at School of Enginering, Nagoya University, Japan, 1996.
17. Syakur, A., Arief, Y.Z., Malek, Z.A, and Ahmad, H., An Experimental Study on Partial Discharge Characteristics of Polyvinyl Chloride (PVC) Under AC – DC Voltages, Johor Baharu, Malaysia, 2008
18.  Syakur, A., Yuningtyastuti dan Martoni, D., Sistem Pengukuran Partial Discharge pada Model Void dalam PVC (Polyvinyl Chloride), Laboratory Of Energy Conversion and Power System, University Of Diponegoro, Semarang, 2008.
19. Syakur, A., Windarto, J., Suwarno dan Redy, M., Pengukuran Partial Discharge (PD) pada Bahan Isolasi Polimer untuk Mendeteksi Kerusakan Isolasi pada Peralatan Tegangan Tinggi dengan Menggunakan Software Labview^™, Makalah seminar Nasional Ketenagalistrikan, Semarang, 2005
20. Tanaka, T., “Internal Partial Discharge and Material Degradation,” Central Research Institute of Electric Power Industry, Japan.
21. Tillar Shugg., Handbook of Electrical and Electronic Insulating Materials, IEEE Press, USA, 1995.
22. Tobing, L.B., Dasar Teknik Pengujian Tegangan Tinggi, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 2002.
23. Naidu, V Kamraju., “ High Voltage Engineering “ Second Edition, Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited, New Delhi, 1995.
24. Peschke, R., R von Olshausen., “Cable systems for High and Extra-High Voltage”, MCD Verlag Publicis, Berlin, October 1999.
25. Zahra, F, and Nema, R.S., Study of Corona Pulses in Air Solid interface, Converence record of the 1998 IEEE International Symposium on Electrical Insulation, Virginia USA,1998.
26. http://www.elektroindonesia.com/ener13a.

Semarang,       Agustus 2008

Download laporan tugas akhir