DESAIN DAN IMPLEMENTASI ANTENA ULTRA HIGH FREQUENCY UNTUK DETEKSI PARTIAL DISCHARGE PADA TRANSFORMATOR TEGANGAN TINGGI

• Main Author: Pierre Uwiringiyimana, Jean
• Format: Dissertations
• Language: Indonesia
• Online Access: https://digilib.itb.ac.id/gdl/view/76865
• Institution: Institut Teknologi Bandung

Keandalan sistem tenaga listrik tergantung pada kualitas sistem isolasi listrik dari peralatan listrik bertegangan tinggi. Partial Discharge (PD) dalam peralatan kelistrikan merupakan indikasi degradasi isolasi karena adanya cacat pada isolasi. PD adalah proses ionisasi yang terjadi dalam rongga diisi dengan gas atau minyak di dalam isolasi, di permukaan dielektrik, dan di dekat benda logam tajam.Deteksi dan pengukuran PD pada tahap awal berfungsi sebagai tindakan perawatan prediktif dan preventif dari peralatan bertegangan tinggi, dan memiliki tujuan untuk mengantisipasi kegagalan peralatan listrik dan pemadaman listrik yang tidak direncanakan. Terjadinya partial discharge pada peralatan tenaga listrik secara langsung dapat mengindikasikan masalah dalam isolasi peralatan, tetapi masalah itu dapat menjadi konsekuensi dari proses degradasi isolasi lainnya. Berbagai macam alat detektor untuk partial discharge antara lain alat ukur induktif, kapasitif, akustik, dan sensor cahaya. Partial discharge terjadi dalam waktu yang sangat singkat, biasanya dalam kisaran nanodetik, pengukuran radiofrequency dari fenomena gelombang HF, VHF, dan UHF juga merupakan bagian dari metode non konvensional yang digunakan untuk mendeteksi Partial discharge. Sensor EM seperti antena dapat digunakan untuk pengukuran Partial discharge karena kemampuannya melakukan dalam pengukuran karakteristik Partial discharge seperti kemampuan mendeteksi pulsa PD, menentukan lokasi terjadinya Partial discharge, dan sampai batas tertentu, serta kemampuan untuk mengklasifikasikan jenis Partial discharge secara online. Metode Ultra-High Frequency (UHF) telah menjadi teknik diagnostik yang akurat yang telah diterapkan selama bertahun-tahun untuk menentukan kondisi dan kualitas sistem isolasi dalam peralatan tegangan tinggi seperti transformator daya, generator listrik, motor listrik, kabel listrik dan Gas Insulated Substation (GIS). Metode konvensional dan metode non-konvensional digunakan untuk mendeteksi PD dalam peralatan tegangan tinggi, yaitu dengan menggunakan sensor PD. Transformator daya sebagai salah satu peralatan bertegangan tinggi yang digunakan untuk transmisi daya dan distribusi daya adalah salah satu peralatan listrik paling mahal dalam sistem tenaga listrik. Kerusakan transformator tegangan tinggi dapat menyebabkan kerugian yang signifikan untuk utilitas listrik, serta pemadaman listrik bagi pelanggan. Titik lemah transformator adalah belitannya. Hal ini didasarkan pada survei CIGRE terhadap 964 transformator daya. Kegagalan paling dominan yang menyebabkan kegagalan transformator adalah terkait dengan masalah dielektrik, yaitu penuaan sistem isolasi kertas-minyak. Transformator diamati, diuji, dan didiagnosis secara rutin. 7 Untuk memastikan operasi transformator daya yang aman dan handal, pemantauan PD diperlukan untuk menilai kondisi isolasi transformator dan merencanakan pemeliharaan dan perbaikan pada tahap awal sebelum transformator mengalami kerusakan. Untuk mendeteksi PD secara online (ketika transformator beroperasi), diperlukan sensor yang lebih sensitif dan beroperasi dalam rentang frekuensi sangat tinggi (Ultra High Frequency/ UHF) untuk mendeteksi sinyal PD yang dipancarkan dari tangki transformator. Balakangan ini, banyak penelitian telah dilakukan tentang merancang sensor untuk mendeteksi PD pada transformator daya. Namun, menurut tinjauan literatur, beberapa sensor yang dirancang sebelumnya masih memiliki beberapa keterbatasan seperti sensitivitas rendah pada sinyal PD dan bandwidth kecil. Selain itu, peneliti sebelumnya tentang sensor PD belum menerapkan sensor yang dirancang (antena) pada transformator daya yang sebenarnya dalam kondisi nyata. Dalam penelitian mereka, beberapa sensor diuji untuk mendeteksi sinyal PD pada model transformator, kotak logam diisi dengan minyak dengan menggunakan cacat isolasi buatan yang terletak di dalam kotak logam untuk mensimulasikan sumber PD di dalam transformator daya. Dalam penelitian ini, antena strip mikro akan dirancang agar memiliki krakteristik band ultra- lebar yang beroperasi di frekuensi sangat tinggi dengan kisaran UHF 300MHz -3GHz. Hal tersebut dilakukan untuk mendeteksi sinyal elektromagnetik yang diinduksi dan dipancarkan dari sistem isolasi kompleks di dalam tangki transformator. Antena UHF yang dirancang telah diuji terlebih dahulu di Laboratorium Radar dengan menggunakan Vector Network Analyzer (VNA). Hal tersebut bertujuan untuk mengukur beberapa parameter dasar antena seperti Return Loss (parameter S11), VSWR, bandwidth, frekuensi resonansi, impedansi input, dan penguatan. Antena UHF juga telah diterapkan untuk mendeteksi dan menemukan PD di insulasi udara dan minyak di dalam model tranformator di laboratorium tegangan tinggi. Pada tahap pertama penelitian ini, antena UHF yaitu, antena patch mikrostrip lingkaran dan antena patch mikrostrip persegi panjang dirancang, disimulasikan dan dioptimalkan untuk memiliki parameter optimal seperti karakteristik bandwidth utra-wide, return loss lebih rendah di bawah -10dB, VSWR lebih rendah dari 2, gain dan directivity lebih tinggi. Antena UHF yang diusulkan dirancang, disimulasikan, dan dioptimalkan menggunakan Perangkat Lunak CST Microwave Studio dan Perangkat Lunak HFSS. Setelah desain antena, langkah selanjutnya adalah membuat antena UHF yang diusulkan dan antena ini dibuat pada papan sirkuit tercetak (PCB) dengan FR- 4 Substrat epoksi. Desain optimal dari antena patch mikrostrip lingkaran yang diusulkan dan antena patch mikrostrip persegi panjang masing-masing memiliki bandwidth 3,3GHz dan 1,24GHz. Kedua antena mikrostrip lingkaran dan persegi panjang yang dirancang memiliki return loss yang lebih rendah (di bawah 10dB) pada semua frekuensi resonansi, VSWR lebih rendah kurang dari 2, dan karakteristik bandwidth ultra lebar. Pada tahap kedua penelitian ini, untuk menyelidiki kinerja sensitivitas pendeteksian, antena yang dirancang dengan krakteristik UWB diimplementasikan terlebih dahulu untuk deteksi PD dalam sistem berinsulasi udara sebelum diterapkan untuk deteksi PD dalam sistem berinsulasi minyak seperti pada transformator daya. Antena UHF fabrikasi diimplementasikan untuk mendeteksi PD pada isolasi udara dengan menggunakan dua jenis cacat isolasi yaitu model elektroda jarum-pelat 8 dan model elektroda pelat-pelat untuk menghasilkan lucutan korona dan lucutan permukaan, masing-masing pada isolasi udara. Berdasarkan hasil pengukuran PD diperoleh dengan menggunakan antena UHF yang dirancang, telah diselidiki bahwa antena ini memiliki sensitivitas tinggi untuk mendeteksi aktivitas PD dalam sistem berinsulasi udara. Pada penelitian tahap ketiga, antena UHF yang memiliki krakteristik UWB telah dirancang diimplementasikan untuk pendeteksian partial discharge pada isolasi minyak trafo melalui eksperimen laboratorium dengan menggunakan model elektroda jarum-pelat, digunakan sebagai cacat insulasi buatan untuk menghasilkan lucutan korona pada isolasi minyak. Dalam percobaan laboratorium yang dilakukan pada tahap penelitian ini, empat level tegangan yang diterapkan yaitu, 10kV, 12kV, 14kV dan 16kV digunakan untuk menyelidiki pengaruh tegangan yang diberikan terhadap fitur peluahan sebagian. Untuk mengevaluasi kinerja sensitivitas antena UHF yang dirancang dalam mendeteksi pulsa PD, empat posisi antena yaitu 50cm, 70cm, 100cm dan 200cm digunakan dan divariasikan masing-masing dalam percobaan. Berdasarkan hasil pengukuran PD yang diperoleh dengan menggunakan antena UHF yang dirancang, diketahui bahwa antena yang dirancang memiliki sensitivitas tinggi untuk mendeteksi gelombang elektromagnetik yang diinduksi PD yang berasal dari sumber PD dalam minyak bahkan ketika antena ditempatkan pada jarak 2m dari sumber PD. Untuk memvalidasi hasil pengukuran PD yang diperoleh dengan menggunakan antena yang dirancang, antena ini digunakan untuk mendeteksi sinyal pulsa PD secara bersamaan dengan sensor HFCT komersial yang digunakan sebagai sensor PD pembanding. Penelitian disertasi tahap keempat difokuskan pada implementasi desain antena UHF (antena mikrostrip persegi panjang dan antena mikrostrip lingkaran) untuk mendetekdi PD melalui percobaan laboratorium pada model tangki transformator berisi minyak. Dua jenis cacat isolasi yaitu; model elektroda jarum-pelat dan model elektroda pelat-pelat digunakan sebagai cacat insulasi buatan untuk menghasilkan pelepasan korona (corona discharge) dan pelepasan permukaan (surface discharge) dalam isolasi minyak. Model tangki logam berisi minyak yang memiliki dimensi 50cm x 50cm x 50cm digunakan untuk mensimulasikan transformator daya terendam minyak yang sebenarnya. Ketebalan dinding tangki logam 5mm digunakan untuk mensimulasikan transformator daya. Dalam percobaan laboratorium yang dilakukan pada tahap terakhir disertasi penelitian ini, empat level tegangan yang diterapkan yaitu, 10kV, 12kV, 14kV dan 16kV digunakan untuk menyelidiki pengaruh tegangan yang diberikan terhadap fitur PD yang terdeteksi. Untuk mengevaluasi kinerja sensitivitas antena UHF yang sudah dirancang, empat posisi antena yaitu 50cm, 70cm, 100cm dan 200cm digunakan dan bervariasi masing-masing dalam percobaan. Selain itu, hasil pengukuran PD yang diperoleh dengan menggunakan antena UHF yang dirancang (antena patch melingkar dan antena patch persegi panjang) dibandingkan dengan sensor PD yang ada, yaitu sensor HFCT komersial, antena loop dan antena fraktal Hilbert, yang tersedia di laboratorium. Diselidiki bahwa antenna lingkaran dan antena persegi panjang yang dirancang lebih sensitif daripada antena loop dan antena Hilbert dalam mendeteksi PD korona dan PD permukaan yang dipancarkan dari dalam model tangki transformator berisi minyak. Oleh karena itu, sebagai kesimpulan, antena UHF yang dirancang (antena mikrostrip lingkaran dan antena mikrostrip persegi panjang) yang disajikan dalam disertasi penelitian ini berpotensi 9 menjadi kandidat valid sensor UHF PD yang dapat digunakan untuk diagnosis HV dan MV power assets berinsulasi udara dan berinsulasi minyak di mana sinyal UHF PD disinari.