SELAMAT DATANG PRESENTASI TUGAS AKHIR

Transkripsi

1 SELAMAT DATANG PRESENTASI TUGAS AKHIR Karakteristik Peluahan Sebagian Pada Model Void Dalam Polyvinyl Chloride ( PVC ) Menggunakan Elektroda Metoda II CIGRE OLEH : SANTORO NIM. L2F261 JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG TAHUN 27

2 Latar Belakang Keberadaan material isolasi yang baik menjadi salah satu hal yang perlu diwujudkan untuk memberikan keandalan dan kualitas dalam transmisi dan distribusi daya listrik Kejadian Partial Discharge (PD) pada sebuah void dalam material isolasi dipercaya menjadi salah penyebab utama terjadinya breakdown atau kegagalan isolasi. Fenomena pre breakdown dapat dideteksi dengan pengamatan dan pengukuran PD Sebagian besar isolasi kabel menggunakan PVC

3 Tujuan Untuk mengetahui karakteristik dan pola distribusi pulsa Partial Discharge (PD) pada bahan isolasi selama pengukuran, berkaitan dengan adanya rongga (void) dalam material isolasi polimer jenis PVC. Mengetahui waktu atau sudut fasa tegangan dan daerah konsentrasi pulsa PD Mengetahui rugi energi selama pengukuran yang diakibatkan oleh peristiwa partial discharge dari banyak dan besarnya muatan elektron.

4 Batasan Masalah Pengamatan pulsa PD dilakukan melalui osiloskop digital TDS 2 Tektronik secara simultan Sampel polimer yang digunakan dari jenis PVC sheet dengan sistem elektroda metoda II CIGRE. Void yang terjadi merupakan bentukan dari tiga lapisan PVC sheet dimana bagian tengah adalah spacer Spacer yang digunakan untuk sampel terbuat dari bahan PVC yang dilubangi dengan diameter 1 cm pada bagian tengahnya sehingga ketebalannya dianggap sama untuk setiap sample yaitu,125 mm. Kurva karakteristik partial discharge yang terjadi merupakan fungsi waktu dan pola PD yang digunakan adalah pola Φ-q-n (fasa-muatan-jumlah) Magnitude dari noise yang timbul pada pulsa PD dianggap berada di bawah,1 volt sehingga data yang digunakan sebagai bahan analisis memiliki magnitud tegangan di atas,1 volt Tidak membahas secara detil alat dan komponen serta software yang digunakan dalam sistem pengukuran dengan elektroda metoda II CIGRE. Software bantu yang digunakan dalam pengukuran dan pengolahan data adalah software Labview 5.1 dan Mathlab 7.1 serta Microsoft Excell.

5 DASAR TEORI Polyvinyl Chloride (PVC) memiliki rumus kimia CH2 = CHCl PVC termasuk jenis polimer termoplasti yang banyak digunakan sebagai isolasi kawat dan kabel ( NYA, NYY, NYM dll. ) dengan menggunakan standar Enviromental Pretection Agency (EPA).

6 Penurunan kualitas Isolasi

7 U = e.v = ( 1 ).me ve 2 2 Peluahan Sebagian pada Void Partial discharge adalah peluahan listrik terlokalisasi yang hanya menjembatani secara sebagian isolasi di antara konduktor Proses dasar discharge pada gas biasanya terjadi melalui dua proses : 4. Pembangkitan ion ( benturan elektron, fotoionisasi, ionisasi termal ) Besarnya energi yang diperlukan untuk melepas 1 elektron adalah : 2 U = e.v = ( 1 ).me ve 2 2. Kehilangan ion (attachment langsung dan terpisah, rekombinasi )

8

9 Keadaan bahan isolasi padat itu jika dimisalkan tebal rongga sebesar t dan tebal dielektrik sebesar d dan permitifitas relatif zat isolasi padat adalah εr dimana t <<d pada tegangan kerja Va maka berdasarkan rangkaian ekivalennya (gambar 2.5) besarnya V1 = εr (t/d) Va Di mana : V1 Va εr = tegangan pada rongga (volt) = tegangan yang diterangkan (volt) = Permitifitas relative zat isolasi padat Rangkaian ekivalen isolasi padat berongga Gambar Rongga dalam bahan isolasi

10 Bentuk tegangan ketika terjadi breakdown V(t) tegangan yang diterapkan Vg tegangan pada void Vg Tegangan saat breakdown

11 PD mengeluarkan pulsa arus elektrik akibat gas discharge. Pulsa PD mempunyai rise time beberapa ns dan fall time sekitar 1 ns. arus isolasi tr = rise time tw = lebar pulsa td = fall time 1 % 9 % Void 5 % 1 % (a) tr tw td Waktu (ns) (b) Gambar (a) Model void. (b) pulsa Partial discharge

12 Sistem Pengukuran Peralatan yang digunakan untuk mengukur PD adalah sebagai berikut : a). RC Detector d). Arester b). HPF c). Osiloskop digital Tektronix TDS2 47 pf Out 4 K7 o h m 4K 7 ohm 1 Ko h m D ari elek troda bidang 47 pf 1 pf In Rk Gambar Rangkaian RC detector, sensor dan HPF K e ares ter (os ilos k op )

13 Teknik Pengukuran Personal Computer Epoxy Rk PVC H igh V oltege S ourc e Void GPIB Osiloskop data C oax ial R RC detector AC R S T N 1 ohm HPF C oax ial Arrester 1 pf 22 9 Fundamental Wave Gambar. Sistem pengukuran PD printer

14 Bentuk Representasi Data (a) (c) Gambar Representasi pulsa PD (a). Urutan pulsa PD n (b) (b). Pola Φ-q-n (d) (c) Pola Φ-n (d) Pola Φ-

15 Pola Partial Discharge Gambar Sketsa pola PD (c) Turtle-like pattern (d) Wing-like pattern (e) rabbit-like pattern (f) Turtle-wing-like pattern (e) Rabbit-wing-like pattern (f) Triangular pattern (g) Rectangular pattern

16 Distribusi Pulsa PD dengan Faktor Skewness dan Kurtosis Skewness ( kemiringan ) adalah derajat asimetri atau simetri suatu distribusi data Sk = 3 ( X - Md ) / s Ada 3 hal distribusi data PD berkaitan dengan faktor skewness yaitu bila distribusi data simetris maka (Sk = ) gambar a; distribusi data yang mempunyai ekor kanan mempunyai kemiringan positif (Sk >) seperti gambar c dan distribusi data yang mempunyai ekor kiri mempunyai kemiringan negatif (Sk < ) gambar b Gambar Bentuk distribusi data berdasarkan skewness

17 Distribusi Pulsa PD dengan Faktor Skewness dan Kurtosis Kurtosis adalah derajat kelancipan atau kedataran suatu distribusi, jika dibandingkan dengan distribusi normal. persamaan Faktor kurtosis secara baku dapat ditulis : Ku = ( fi.(xi - X)^4/ fi) /s^4 Ada beberapa hal distribusi data berkaitan dengan faktor kurtosis. Satu distribusi data yang lebih lancip daripada distribusi normal yang sesuai, disebut leptokursis ( Ku > ) gambar b dan distribusi yang lebih tumpul daripada distribusi normal yang sesuai disebut platikurtis ( Ku < ) gambar c, sedangkan distribusi normal itu sendiri disebut mesokurtis ( Ku = ) gambar a Namun kadang dijumpai pula distribusi data yang sedikit berbeda dengan ketiga bentuk kurtosis di atas yaitu kurva dengan bentuk dwimode atau sering disebut kurva U sebagaimana ditunjukkan pada gambar disamping Gambar Bentuk distribusi data berdasarkan kurtosis Gambar Bentuk kurva distribusi dwimode atau kurva U

18 SISTEM PENGUKURAN DAN AKUISISI DATA Peralatan yang digunakan dalam mendukung penelitian ini adalah : Soft ware Labview dan mathlab Personal computer (PC) General Purpose Interface Bus (GPIB) Oscilloskop Tektronix TDS 22 Two channel digital real-time, High Pass Filter RC detector Elektroda II CIGRE dan Holder Pembangkit tegangan tinggi variabel, Sumber tegangan fundamental AC 22 / 9 V. BahanPolymer Polyvinyl Chloride (PVC).

19 Persiapan sample dan Holder Sampel yang digunakan adalah polyvinile chloride ( PVC ) yang dimensi, bahan dan susunan elektrodanya ditunjukan dalam gambar berikut Susunan sample dan elektroda

20 Elektroda II CIGRE Sistem elektroda II CIGRE ( Conference Internationale Grand Reseaux Electriques ) adalah pengembangan dari sistem elektroda I CIGRE, dengan kelebihan sebagai berikut : 1 ). Ketahanan PD dari material dapat diperkirakan 2 ). Menggunakan bahan percobaan berupa lembaran tipis 3 ). Bermacam-macam material isolasi padat dapat diuji coba, 4 ). Pembuatan sel percobaan termasuk bahan uji relatif sederhana 5 ). Secara geometris ruang void lebih besar 1 kali dibandingkan dengan sistem metoda I CIGRE 6 ). PD dikonsentrasikan dalam area yang tertentu dan akan berlanjut hingga kegagalan akhir tidak terpengaruh akan dinding sisi dari rongga. Gambar Elektroda metoda II CIGRE Gambar Elektroda metoda I CIGRE

21 Mekanisme Pengujian dan Akuisisi Data Dalam sistem pengukuran metuda II CIGRE ini komputer bertindak sebagai controller dalam pengambilan data PD dari osiloskop. Beberapa mekanisme percobaan yang dilakukan untuk mendapatkan data hasil pengukuran, pengolahan data adalah sebagai berikut : Merangkai semua bahan,peralatan dan software yang dibutuhkan untuk pengukuran Menghidupkan osiloskop, Personal Computer dan menjalankan program Labview dengan fungsi pengukuran (TDS measure) Menghidupkan pembangkit tegangan tinggi dan mengatur tegangan kerja hingga terlihat pulsa PD pada osiloskop TDS 2 pada range skala 5 kvrms. Mengatur pengambilan data dengan program Labview TDS measure yaitu jumlah pengambilan data, lokasi (folder) penyimpanan hasil running program, interval waktu pencuplikan data pengukuran, dan isian keterangan mengenai permitifitas sampel, ketebalan dan tegangan kerja yang diterapkan. Melakukan eksekusi pengambilan dan penyimpanan data pengukuran untuk menit ke-1, menit ke-5. menit ke-1 dan seterusnya sampai selesai (menit ke-9). Bila pengukuran telah selesai maka sumber tegangan tinggi dimatikan dan kemudian elektroda tegangan tingginya ditanahkan untuk membuang muatan sisa Mengolah data hasil akuisisi program labview TDSmeasure dengan menggunakan program analisa PD yang dibuat oleh H.Nagae.

22 Listing program analisa PD H.Nagae Mulai Inisiasi program (memori dan variabel lokal) Memasukkan parameter input : Files(file pertama),filen(file terahir),cyclen, rfn1(alamat file sumber), rfn2(alamat file output), chanel1,chanel2,osc data Pembacaan file dari alamat peyimpanan file (D:\\data kuliah\\percobaan itb\\pvc\\1 kv...\5kv..._) Alamat file sumber benar? salah Error (proses berhenti) benar Mengatur tampilan grafik PD Memasukkan nilai range Error Y (1) Ubah range? T() Menampilkan grafik Perhitungan data oleh program (jumlah pulsa PD, siklus, Pdpersiklus positif & negatif, dan muatan max,total muatan, rata-rata muatan PD positif & negatif Menampilkan hasil perhitungan dan menyimpan file hasil eksekusi selesai Gambar Flowchart listing program analisis PD

23 Pengolahan Data Hasil dari eksekusi listing program di atas kemudian dibuka dengan menggunakan program mikrosoft excell untuk mendapatkan informasi mengenai jumlah, sudut fasa dan muatan PD Dengan fasilitas yang ada pada program Microsoft excell maka data kejadian PD dapat diolah untuk mendapatkan informasi gambar grafik maupun Jumlah PD, ratarata PD persiklus,muatan maksimum dan minimum, total muatan positif dan negatif dari tiap waktu pengukuran kemudian ditabelkan dan dibuat grafiknya dengan terlebih dahulu menghilangkan muatan noise yang ada. Untuk mempermudah atau menyingkat ruangan dan tenaga dalam penggambaran distribusi PD dengan faktor skewness ataupun kurtosis, maka terlebih dahulu data dikelompokkan menjadi 1 kelas sudut fasa dengan lebar interval 15 yaitu untuk kelas sudut fasa 12 sampai 27 (PD negatif) dan kelas sudut fasa -6 atau 3 sampai 9 (PD positif). Kemudian baru diolah untuk mendapatkan nilai skewness dan kurtosisnya melalui program bantu Microsoft excell, kemudian digambarkan pola distribusi PD yang terjadi dengan cara sebagaimana pembuatan grafik pada karaktersitik jumlah PD Menghitung rugi energi akibat PD berdasarkan besarnya muatan tiap PD dan nilai tegangan saat PD terjadi

24 a b Gambar Data informasi kejadian PD hasil dari program analisa PD setalah dibuka dalam Ms. Excel (c) kondisi awal sebelum noise dihilangkan (d) (b). Kondisi setelah noise dihilangkan.

25 HASIL PENGUKURAN DAN ANALISIS 1. Karakteristik PD Terhadap Waktu Karakteristik Jumlah Pulsa PD pada PVC Karakteristik Muatan Maksimum Pulsa PD pada PVC Karakteristik Rataan Muatan Pulsa PD pada PVC HASIL PENGUKURAN DAN ANALISIS 2. Distribusi pulsa PD dengan faktor Skewness dan Kurtosis Skewness ( Kemiringan ) Kurtosis ( Kelancipan ) 3. Perubahan pola ( Φ - q n) PD sebagai fungsi waktu 4. Perhitungan Rugi Energi Partial Discharge

26 Karakteristik PD Terhadap Waktu Karakteristik Jumlah Pulsa PD pada PVC Jumlah PD pada menit ke pos neg Jumlah PD dalam 3 siklus pada sampel PVC 16 1 muatan PD (pc) rata-rata sudut fasa Gambar Tegangan saat terjadi PD pada PVC 5 kvrms menit 9. pos 2 4 neg 6 menit Poly. (neg) 8 1 Poly. (pos) Gambar karaketristik jumlah pulsa PD pada void dalam PVC

27 Karakteristik Jumlah Pulsa PD menurut Mizutani dan Kondo T terkait dengan perubahan kadar gas elektronegatif dan dibagi 4 tahap yaitu : Permulaan, volume gas dengan cepat menurun mencapai kira-kira 8 % sekitar menit ke-3. Setelah 3 menit berangsur-angsur naik hingga mencapai 95 % pada menit ke Kemudian turun secara perlahan sampai sekitar menit ke-13 ( jam ke-17 ) Akhirnya akan naik kembali sebelum terjadinya breakdown. Jumlah PD dalam 3 siklus pada sampel PVC pos 2 4 neg 6 menit Poly. (neg) 8 1 Poly. (pos) Gambar karaketristik jumlah pulsa PD pada void dalam PVC Gambar Perkiraan kadar gas elektronegatif dalam volume gas dalam void Gambar Perubahan volume gas elektronegatif pada void dalam LDPE

28 Karakteristik Jumlah Pulsa PD pada PVC Secara umum dapat dilihat bahwa karaketristik jumlah pulsa PD per 3 siklus pada void dalam PVC untuk PD positif dan negatif pada menit-menit awal jumlah pulsa PD lebih besar, kemudian akan turun secara drastis hingga menit ke-1, beberapa saat kemudian jumlah PD kembali meningkat dengan jumlah yang lebih besar hingga menit ke-5 dan kembali turun hingga pada akhirnya akan kembali naik sebelum terjadinya breakdown. Jika dibandingkan dengan hasil pengukuran T. Mizutani dan Kondo Takeshi[6] tersebut di atas maka karakteristik jumlah pulsa PD yang terjadi pada sample PVC merupakan representasi degradasi isolasi pada tahap 1 hingga tahap 4

29 Karakteristik Muatan Maksimum Pulsa PD pada PVC Muatan maksimum (pc) pada pengukuran menit ke- rata-rata pos neg muatan maksimum PD pada PVC (pc) pos 2 neg 4 6 menit Poly. (neg) 8 1 Poly. (pos) Gambar Karaketristik muatan maksimum PD Karakteristik muatan maksmum masih terkait dengan kondisi gas dalam void sehingga kurva mirip dengan karakteristik jumlah PD Terjadinya PD yang pertama kali dianggap karena peningkatan molekul-molekul seperti CO2 dan H2O dalam void. Gas-gas elektronegatif dapat menangkap (attachment) elektronelektron bebas yang dibangkitkan oleh PD sebelum polaritas teganagan yang diterapkan berubah dan oleh karenanya menyebabkan kenaikkan time-lag yaitu waktu antara tegangan inisiasi gas dengan tegangan minimum yang diperlukan untuk terjadinya PD. Suatu Over voltage karena sebuah time-lag menjadikan magnitud muatan pulsa PD yang besar. Sehingga umumnya muatan max membentuk telinga dalam sketsa pola PD

30 Karakteristik Rataan Muatan Pulsa PD pada PVC Muatan rata-rata (pc) menit ke pos neg rata-rata muatan PD pada PVC (pc) rata-rata pos 2 neg 4 menit 6 Poly. (pos) 8 1 Poly. (neg) Gambar Karaketristik rataan muatan pulsa PD maksimum sampel PVC karakteristik rata-rata muatan pulsa PD karakteristik yang sama dengan karakteristik muatan maksimum pulsa PD. Namun Secara umum rata-rata muatan PD mengalami kenaikan seiring bertambahnya waktu karena pada waktu gas dalam rongga gagal, 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, Keadaan ini menyebabkan dinding zat padat lama-kelamaan rusak, rongga menjadi semakin besar dan zat padat bertambah tipis[1] sehingga tegangan pada rongga akan semakin besar dan muatan PD pun semakin besar karena muatan PD adalah fungsi dari tegangan kerja

31 Distribusi pulsa PD dengan faktor Skewness dan Kurtosis PD negatif nilai skewness Kurtosis rata-rata M E N I T K E - PD positif skewness kurtosis Nilai skewness kejadian PD positif menunjukkan Sk > yang berarti banyak kejadian PD pada kelas atas (di sekitar sudut 7o) atau kurva mempunyai ekor kanan. Sedangkan kejadian PD negatif menunjukkan nilai Sk yang berubah-ubah disekitar nol () Nilai kurtosis untuk kedua kejadian PD baik positif maupun negatif menunjukkan Ku > yang berarti distribusi kejadian-kejadian PD berbentuk lancip (leptokurtis).

32 Pola distribusi PD dengan faktor Skewness dan Kurtosis jumlah frekuensi PD jumlah frekuensi PD nilai tengah kelas interval sudut fasa nilai tengah kelas interval sudut fasa (a). menit ke-1 (b). Menit ke jumlah frekuensi PD jumlah frekuensi PD nilai tengah kelas interval sudut fasa nilai te ngah k elas interval s udut fasa (a). menit ke (b). Menit ke jumlah frekuensi PD nilai tengah kelas interval sudut fasa nilai tengah kelas interval sudut fasa (a). menit ke-1 (b). Menit ke jumlah frekuensi jumlah frekuensi PD jumlah frekuensi PD Gambar Distribusi pulsa PD dengan faktor skewness dan kurtosis untuk PD positif nilai tengah kelas interval sudut fasa nilai tengah kelas interval sudut fasa (a). menit ke-6 (b). Menit ke-9 Gambar Distribusi pulsa PD dengan faktor skewness dan kurtosis untuk PD negatif Berdasarkan bentuk kurva yang dibentuk oleh sebaran distribusi PD maka dapat dilihat bahwa kurva membentuk kurva U atau dwi mode yang berarti modus kejadian PD nya terdapat di samping kiri-kanan median dan mean. Hal ini menunjukkan banyaknya data kejadian PD pada kelas bawah atau dan kelas atas yaitu disekitar sudut fasa 32 dan 7 (pada PD positif) dan disekitar sudut fasa 15 dan 25 (pada PD negatif ).

33 Perubahan pola ( Φ - q n) PD sebagai fungsi waktu muatan PD (pc) 1 muatan PD (pc) Sudut Phasa (derajat) sudut phasa (derajat) (a). menit ke-1 (b). menit ke muatan PD (pc) (a). menit ke-5-15 (b). menit ke-9 sudut phasa (derajat) Gambar Pola (Φ - q n) PD PVC pada tegangan 5 kv (a). menit ke-1 (b). menit ke-3 (c). menit ke-5 (d). menit ke-9 Berdasarkan sketsa pola PD pada gambar 2.23 maka pola PD untuk sampel void dalam PVC seperti gambar disamping yaitu untuk menit ke-1 dan 9 mirip dengan pola rabbitlike-pattern sedangkan pada menit ke3 dan menit ke-9 mirip pola rabbitwing-like pattern. Hasil ini menunjukkan bahwa pola PD dalam sebuah void berubah terhadap waktu seiring dengan proses penuaan

34 Perhitungan Rugi Daya Partial Discharge Rugi energi PD PVC.1-12 Joule.1-16 kwh Menit Menit Menit Menit Menit Menit Menit Menit Menit Menit Total U = e.v maka dapat dilihat bahwa besarnya energi yang hilang akibat PD ini tergantung dari besarnya jumlah dan muatan PD serta tegangan (medan listrik) yang terjadi saat PD berlangsung. Dan dari data tabel di samping dapat diketahui energi yang hilang saat pengambilan cuplikan PD yaitu pada PVC sebesar 69,727 x1-16 kwh dalam 1 kali (3 siklus) pencuplikan atau rata-rata 6,97x 1-16 kwh tiap siklus. Berdasarkan grafik perkembangan rugi energi PD tampak rugi energi pada PVC yang cenderung makin naik sebanding dengan perubahan jumlah kejadian PD dan muatan PD. rugi energi PD PVC (1^16 kwh) Gambar Rugi energi PD tiap pengambilan pengukuran PVC. 1 m enit menit1 menit5 menit1 menit15 menit2 menit3 Dari rumus menit4 menit5 menit6 menit9

35 KESIMPULAN DAN SARAN KESIMPULAN Rata-rata jumlah pulsa PD positif lebih besar daripada PD negatif Berdasarkan karakteristik jumlah PD maka proses degradasi selama pengukuran PD dari lubang ( void ) pada PVC menunjukan empat tahap pola PD degradasi yakni tahap 1 dari menit pertama hingga menit ke-1 ( jumlah PD turun ), tahap 2 dari menit ke-1 hingga menit ke-5 ( jumlah PD naik ), tahap 3 dari menit ke-5 hingga menit ke-8 ( jumlah PD kembali turun ) dan tahap 4 setelah menit ke-8 ( jumlah PD kembali meningkat). Pola rabbit-like-pattern dan rabbit-wing-like pattern ditemukan selama proses pengukuran PD pada void polimer PVC. Pola distribusi data PD yang terbentuk berupa kurva U atau dwi mode yang memiliki dua nilai modus pada kelas atas dan bawah yaitu pada nilai tengah 32o dan 7o (untuk PD positif ) dan 15o dan 25o (untuk PD negatif) Semakin besar dan semakin banyaknya pulsa PD yang terjadi mengakibatkan rugi energi semakin besar.

36 KESIMPULAN DAN SARAN Saran Penelitian terhadap material isolasi polimer selanjutnya dilakukan dengan perlakuan kondisi yang berbeda seperti variasi suhu, kelembaban, dan tekanan. sebagaimana kondisi saat polimer PVC digunakan dalam ketenagalistrikan. 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. Sampel lain dapat digunakan misalnya dari jenis bahan isolasi cair maupun gas.

37 TERIMA KASIH

38