Perubahan Penting Standard IEEE

Untuk Pengujian Isolasi Lilitan Motor and Generator

Copyright Material IEEE Paper No. PCIC-2004-XX

Greg C. Stone

IEEE Fellow

Iris Power Engineering

1 Westside Drive, Unit 2

Toronto, Ontario M9C 1B2

Canada

Abstrak - Prosedur test dan standar IEEE secara luas digunakan oleh vendor dan para pemakai generator dan motor, seperti mengevaluasi kondisi dari isolasi lilitan. Sampai revisi yang terbaru, standar dan prosedur baku yang digunakan ditulis lebih dari 25 tahun yang lalu. Sejak 1970-an, lilitan motor telah mengalami banyak perubahan dalam pembuatan dan desain. Hasilnya menunjukkan bahwa mengakibatkan banyak dari standard adalah tidak lagi sah untuk motor yang semakin modern. Lebih dari 5 tahun yang lalu, IEEE Power Engineering Society telah menyelenggarakan suatu tinjauan ulang dan pembaharuan standar ini. Banyak perubahan penting dalam prosedur test dan petunjuk penafsiran yang dihasilkan.

Makalah ini meninjau ulang standard utama isolasi yang digunakan untuk test diagnosa lilitan stator dan generator, dan mendiskusikan perubahan yang telah dibuat. Standard yang dibahas meliputi: IEEE 43, 56, 95, 286, 522, dan 1434. Sebagai contoh, IEEE 43 - 2000 sekarang memerlukan suatu resistansi minimum isolasi 100 Megohms untuk lilitan stator baru dengan rating 2300 V atau lebih, bukannya 'kV+1' yang diperlukan pada masa lalu. Lagipula, penafsiran index polarisasi telah berubah seperti suatu motor dengan suatu PI 1 adalah tidak secara otomatis diklasifikasikan 'jelek'.

Kata kunci – liltan stator, isolasi, pengujian, diagnosa test, DC Hipot, AC Hipot.

I. PENDAHULUAN

Untuk kebanyakan generator dan motor, umur yang diharapkan dari lilitan stator tergantung pada kemampuan elektris isolasi untuk mencegah kesalahan lilitan. Lilitan stator yang baru dibuat, dengan standar NEMA MG1 dan IEC 60034 memerlukan suatu test yang dilakukan pada isolasi, untuk memastikan bahwa lilitan stator akan mencapai umur yang memuaskan (biasanya 20 - 40 tahun). Sebagai tambahan, banyak test telah distandardisasikan untuk

digunakan mengevaluasi kondisi isolasi selama dalam penggunaan.

Lebih dari beberapa dekade, Power Engineering Society dari IEEE telah aktif dalam kebanyakan pendokumentasian test diagnosa isolasi lilitan stator yang sekarang digunakan seluruh dunia oleh para pemakai mesin dan pembuat mesin. Sekarang, IEEE merekomendasikan pedoman dan praktek standar test isolasi yang digunakan antara keduanya perusahaan dan pemakai [1- 6]:

1) IEEE 43- 2000: index polarisasi dan resistansi isolasi ( lilitan baru dan yang sudah tua)

2) IEEE 56- 1977: AC hipot test ( lilitan yang sudah tua )

3) IEEE 95-2002: DC hipot test ( lilitan baru dan yang sudah tua)

4) IEEE 522 - 2004: hipot test untuk lilitan isolasi ( lilitan baru dan yang sudah tua)

5) IEEE 1434- 2000: partial discharge tests ( lilitan baru dan yang sudah tua )

Kebanyakan dari pedoman, praktek dan standard IEEE ditujukan untuk para pemakai dan pabrikan, mula-mula ditulis tahun 1950-an, dan secara signifikan diperbaharui tahun 1970-an. Telah terjadi sedikit perubahan pada pedoman dan standard ini untuk masa 20 tahun, meliputi perubahan signifikan pada sistem isolasi lilitan stator. Beberapa perubahannya adalah :

1. Aplikasi secara luas Class F epoxy dan sistem polyester.

2. Ekspansi proses VPI menyeluruh seperti hampir semua motor kini dibuat menggunakan impregnasi yang lengkap dari inti stator.

Makalah ini meringkas tujuan metoda masing-masing test, menyediakan beberapa teori tentang test, dan menguraikan secara singkat perbedaan dengan versi yang lampau dari standard, praktek atau pedoman IEEE.

II. IEEE 43 – RESISTANSI ISOLASI DAN INDEX POLARISASI

Ini mungkin paling banyak digunakan sebagai test diagnostik untuk lilitan stator dan rotor generator dan motor. Ini dapat diterapkan untuk semua mesin dan lilitan, terkecuali lilitan rotor motor sangkar tupai, yang tidak mempunyai isolasi untuk ditest. Test ini berhasil menunjukkan lokasi permasalahan kontaminasi dan polusi dalam lilitan. Dalam sistem isolasi yang lebih tua, test dapat juga mendeteksi penurunan yang berkaitan dengan panas. Isolasi resistansi (IR) dan index polarisasi (PI) test telah digunakan lebih dari 70 tahun. Kedua test dilakukan dengan instrument yang sama, dan pada umumnya dilaksanakan pada waktu yang sama. Revisi teerakhir IEEE 43 adalah di tahun 1974.

A. Tujuan dan Teori

Test IR mengukur resistansi isolasi elektris antara konduktor tembaga dan inti dari stator atau rotor. Idealnya resistansinya adalah tidak terbatas. Pada umumnya, resistansi isolasi yang kecil, lebih memungkinkan ada suatu masalah dengan isolasi.

PI adalah suatu variasi dari test IR. PI adalah rasio IR yang diukur setelah tegangan diterapkan selama 10 menit (R10) terhadap IR setelah satu menit ( R1 ), yaitu :

Jika IP terlalu rendah ini mengindikasikan bahwa lilitan mungkin terkontaminasi oli, kotoran, serangga, atau terbasahi oleh air. Dalam test, tegangan DC relatif tinggi diterapkan antara lilitan tembaga dan inti rotor atau stator. Arus mengalir di sirkit kemudian dapat diukur. Resistansi isolasi ( R t ) dalam waktu t adalah:

Rt = V/It

V adalah tegangan DC yang diterapkan, dan It adalah total arus yang diukur setelah t menit. Acuan waktu dari pengukuran arus diperlukan selama arus pada umumnya tidak tetap.

B. Metode Test

IR diukur dengan supply DC tegangan tinggi dan ampermeter yang sensitif. Supply DC harus mempunyai suatu tegangan teregulasi yang bagus. Kadang-Kadang ini dikenal sebagai Megger Testers atau megaohmmeter.

Berdasarkan standar IEEE no 43-2000 besarnya tegangan yang diterapkan untuk

pengujian berdasarkan tegangan kerja pada lilitan generator dapat dilihat pada tabel berikut.

Tabel 5.2. Tegangan DC yang diterapkan untuk pengujian megger berdasarkan tegangan kerja lilitan.

VAC (L – L) VDC

<100 500

1000 – 2500 500 – 1000

2501 – 5000 1000 – 2500

5001 – 12000 2500 – 5000

>12000 5000 -10000

C. Analisis

Tabel 2 meringkas bagaimana cara menginterpretasikan hasil PI dan IR pada lilitan rotor dan stator. Pembedaan antara sistem isolasi yang lebih tua dan modern ditetapkan pada 1970.

Tabel 2- nilai resistansi isolasi minimum yang direkomendasikan pada 400C ( semua nilai dalam MΩ )

Resistansi Isolasi Minimum

Jenis yang diuji

R1 min = kV+1 Untuk kebanyakan lilitan yang dibuat sekitar 1970, dan yang lain yang tidak dideskripsikan dibawah.

R1 min = 100 Untuk kebanyakan lilitan ac dan dc pada dibuat setelah sekitar 1970

R1 min = 5 Untuk kebanyakan mesin dengan lilitan dibawah 1kV

Catatan

1. IR1 min adalah resistansi isolasi minimum, dalam megohms, pada 400C untuk keseluruhan lilitan

2. kV adalah tegangan line to line mesin, dalam kV rms

III. IEEE 56 –AC HIPOT TEST

IEEE 56 adalah suatu pedoman dalam berbagai berbagai inspeksi dan test yang dapat dilakukan pada lilitan rotor dan stator. Potongan dokumen revisi utama terakhir 1977 [2], dan kini revisi lengkap mengkombinasikan IEEE 56 dengan IEEE 432, sedemikian sehingga satu pedoman akan meliputi semua bentuk lilitan generator dan motor. Versi revisi dari standard mungkin diterbitkan di 2004. Walaupun IEEE 56 mendiskusikan banyak test, relevansi disini adalah dari keterkaitan di sini adalah AC hipot.

Hipot test adalah 'tegangan tinggi' yang diterapkan pada lilitan. Untuk tujuan menemukan kekurangan pada lilitan, tegangan tinggi test adalah secara normal lebih tinggi dibanding pada saat normal bekerja. Gagasan dasar adalah bahwa jika lilitan tidak gagal pada saat test tegangan tinggi, lilitan tidaklah mungkin gagal karena penuaan isolasi ketika dikembalikan untuk kerja normal. Jika suatu lilitan gagal AC hipot test, kemudian perbaikan atau melilit ulang adalah keharusan, karena isolasi telah bocor/rusak.

AC hipot adalah test dengan digunakan frekuensi tegangan 50 atau 60 Hz. Kadang-Kadang 0.1 Hz AC juga digunakan, seperti diuraikan di IEEE 433. Test ini adalah paling umum diberlakukan pada lilitan stator.

A. Tujuan dan Teori

Tujuan test ini adalah untuk menentukan jika ada kekurangan utama pada isolasi, sebelum lilitan memasuki kerja normal atau selama kerja normal. Prinsipnya adalah jika ada suatu kekurangan utama pada isolasi, tegangan cukup tinggi yang diterapkan pada lilitan akan menyebabkan breakdown isolasi. Dengan standard NEMA MG1 dan IEC 60034, semua lilitan yang baru ( asli atau yang telah dililit ulang) diperlakukan test hipot yang sukses sebelum diterima oleh pelanggan.

Hipot test dapat bersifat merusak dan penundaan untuk kembali ke pelayanan, banyak orang orang memutuskan untuk tidak melaksanakan AC hipot. Secara rasional test hipot dapat menyebabkan suatu kegagalan yang tidak akan terjadi dalam jangka waktu lama dalam operasi, mengakibatkan pelilitan ulang atau perbaikan yang signifikan sebelum sungguh diperlukan.

NEMA MG1dan IEC 60034 mendefinisikan level AC hipot adalah 2E + 1 kV, di mana E adalah nilai rms tegangan fasa-fasa stator. IEEE 56 merekomendasikan AC hipot menjadi 1.25 sampai 1.5E [2]. Test Hipot diterapkan antara konduktor tembaga dan inti rotor atau stator.

Dalam banyak kasus, tegangan hipot cukup tinggi sehingga partial discharge akan terjadi. Partial discharge akan menurunkan komponen organik pada dinding isolasi, sehingga mengurangi umur. Berdasarkan kalkulasi yang didasarkan pada IEEE 930 menunjukkan bahwa penurunan isolasi untuk 1 menit AC hipot pada 1.5E adalah setara dengan sekitar 235 jam atau 10 hari pada tegangan operasi normal.

B. Metode Test

Elemen kunci dalam suatu AC hipot test adalah trafo AC yang diperlukan untuk

mengenergize kapasitansi lilitan itu. Suatu lilitan stator motor 13,8 kV dengan suatu kapasitansi C 1 µF, memerlukan arus charging 8 A pada f = 60 Hz untuk V = 1. 5E. rating minimum trafo adalah lebih dari 150 kVA. AC hipot jauh lebih mahal dibanding dengan supply DC. Itu oleh karena biaya dan ukuran dari supply AC hipot.

C. Analisis

Suatu lilitan melewati atau gagal AC hipot. Tidak ada diagnosis informasi lain yang disajikan. Jika lilitan gagal, seperti ditentukan memutuskan circuit breaker power supply, kemudian memperbaiki atau penggantian lilitan diperlukan.

IV. IEEE 95 - DC HIPOT TEST

A. Tujuan dan Teori

IEEE 95-2002 menguraikan metoda test dan tegangan test yang dianjurkan untuk DC hipot test [3]. Perbedaan yang utama antara test AC dan DC adalah tegangan test yang diterapkan, dan bagaimana distribusi tegangan pada dinding isolasi. Kedua - duanya berhubungan.

Di 1950-an ada riset yang tentang hubungan antara DC dan AC hipot test, dan secara rinci rasio tegangan DC ke AC hipot [3, 7]. Secepatnya suatu kesepakatan dicapai bahwa, di bawah kondisi kebanyakan/umum, tegangan breakdown DC sekitar 1.7 kali lebih tinggi dibanding tegangan breakdown AC rms. Hubungan ini telah distandardisasi di IEEE 95. Riset ini didasarkan pada sistem isolasi yang lebih tua, dan sebagian besar tidak relevan di sistem isolasi modern, seperti diuraikan di atas, distribusi tegangan adalah sepenuhnya berbeda antara DC dan AC. Bagaimanapun, beberapa studi dari hubungan diantara breakdown AC dan DC dalam sistem isolasi modern telah dilakukan. Salah satu dari studi ini menunjukkan bahwa perbandingan tegangan breakdown dari DC ke AC rata-rata adalah 4.3 pada isolasi epoxy mika[8]. Factor 1.7, kemudian, seperti tidak lagi valid, tetapi variabilitas menjadi sangat besar, tidak ada perbandingan penggantian diusulkan. Dengan begitu ratio 1.7 adalah masuk dalam versi yang terakhir IEEE 95.

B. Metode Test

Ada beberapa alternatif metoda DC hipot test :

1. Conventional DC Hipot

Pada Conventional DC Hipot , supply DC tegangan tinggi dihubungkan ke lilitan, begitu juga di switchgear, atau di terminal mesin. Tegangan DC secara cepat dinaikkan ke tegangan test dan dipertahankan 1 menit atau 5 menit. Setelah waktu ini, tegangan secara cepat diturunkan, dan lilitan digroundkan. Jika isolasi

bunyi, tidak akan surja arus yang tinggi, dan power supply circuit breaker tidak akan trip. Jika power supply circuit breaker trip, kemudian kemungkinan suatu kebocoran telah terjadi, karena resistansi isolasi akan dengan segera drop menjadi nol, yang menyebabkan suatu arus ' infinite' mengalir, dan power supply tidak dapat mengirim arus 'infinite'. Circuit breaker trip mengindikasikan bahwa lilitan mengalami gangguan dan lilitan harus diganti atau dililit ulang.

2. Step-Stress Hipot

Variasi dengan menggunakan supply seperti diuraikan sebelumnya, dan secara berangsur-angsur meningkatkan tegangan dengan step yang sama atau berbeda. Sebagai contoh, tegangan DC dapat ditingkatkan dalam setiap step 1 kV, dengan level masing-masing tegangan dipertahankan selama 1 menit sebelum ditingkatkan lagi.

3. DC Ramp Hipot

Dalam hal ini, tegangan DC adalah secara lembut dan linier ditingkatkan pada suatu tingkat yang tetap, pada umumnya 1 atau 2 kV/minute. Jadi, tidak ada step yang terpisah dalam tegangan dan arus.

C. Analisis

Pada dasarnya, DC hipot test bukanlah suatu test diagnostik yang memberikan suatu indicator relatif dari kondisi isolasi. Melainkan, di mana lilitan dalam kondisi baik jika pada pengujian terlewati, dan kondisi sungguh buruk jika gagal.

V. IEEE 1434 PENGUJIAN PARSIAL DISCHARGE

IEEE 1434 adalah suatu pedoman pengujian diagnostik yang baru dikeluarkan tahun 2000 [6]. Partial Discharge Test atau PD test dapat dilakukan pada saat generator beroperasi (on-line PD test) dan pada saat generator berhenti operasi atau mengenergize peralatan tegangan tegangan tinggi dengan trafo eksternal (off-line PD test). Pengujian partial discharge secara langsung mengukur pulsa arus yang dihasilkan dari PD pada lilitan. Jadi proses kegagalan yang dihasilkan PD sebagai gejala dapat dideteksi dengan metode ini. Pengujian ini relevan/sesuai untuk lilitan stator dengan rating tegangan 2300 volt atau diatasnya. Metode umum PD test terbagai menjadi beberapa klasifikasi yang meliputi :

1. Off-line PD test pada stator untuk mengukur aktifitas PD

2. TVA (corona) probe test untuk menentukan lokasi PD

3. Ultrasonic probe test untuk menentukan lokasi PD

4. Blackout or ultraviolet test untuk menentukan lokasi PD

5. On-line PD test untuk mengukur aktifitas PD selama kondisi normal operasi.

A. Tujuan dan Teori

Kesalahan lilitan stator selama proses PD sebagai akibat langsung atau gejala dalam proses. Ketika pulsa PD mengalir, ini adalah aliran elektron yang sangat cepat dari satu sisi dari ruang hampa yang terisi gas ke sisi yang lain. Selama elektron mengalir, masing – masing discharge menghasilkan pulsa arus. Sehingga elektron sekarang mengalir. Ini akan mengalir ion positif (dihasilkan saat elektron diionisasi oleh melekul gas) dalam arah berlawanan.

Masing – masing arus pulsa sebetulnya dalam bagian khusus dari lilitan. Arus akan berjalan sepanjang kumparan. Selama impedansi surja dari kumparan dalam slot kira – kira 30 ohm pulsa tegangan juga akan dihasilkan, sesuai hukum Ohm. Pulsa tegangan dan arus mengalir jauh dari tempat PD, dan beberapa bagian dari pulsa arus dan tegangan akan mengalir ke terminal lilitan stator. Transformasi fourier dari pulsa arus menghasilkan frekuensi sampai beberapa ratus megahertz.

Peralatan yang sensitive terhadap frekuensi tinggi dapat mendeteksi arus pulsa PD. Dalam PD test pada lilitan yang sempurna, paling umum pendeteksian arus PD dalah menggunakan kapasitor tegangan tinggi yang dihubungkan keterminal stator. Biasanya kapasitansinya adalah 80 pF sampai 1000 pF. Kapasitor mempunyai impedansi sangat tinggi terhadap tegangan tinggi AC, sementara menjadi impedansi sangat rendah terhadap frekuensi tinggi pulsa arus PD. Keluaran dari kapasitor tegangan tinggi menjadikan beban resistif atau induktif-kapasitif. Pulsa arus PD yang akan melewati kapasitor akan menghasilkan pulsa tegtangan yang melintasi resistor atau rangkaian beban induktif-kapsitif, yang dapat ditampilkan pada osiloskop, frequency spectrum analyzer atau peralatan display lain. Bandwith detektor dalah range frekuensi dari kapasitor pendeteksian tegangan tinggi kombinasi dengan jaringan beban resistif atau induktif-kapasitif. Detector akan sensitive dari range 10 kHz, 100 kHz atau 1 MHz. Detektor modern dapat sensitive samapai dengan range beberapa ratus megahertz.

Setiap PD akan menghasilkan pulsa. Beberapa pulsa PD lebih besar dari yang lain. Pada umumnya, besarnya pulsa PD adalah proporsional dengan besarnya void dimana PD terjadi. Akibatnya yang lebih besar terdeteksi PD pulsa, yang lebih besar adalah cacat yang

memulai discharge. Cacat yang lebih kecil cenderung menghasilkan pulsa PD yang lebih kecil.

B. Metode Test

Off-line PD test membutuhkan supply tenaga untuk mengenergize lilitan minimal tegangan fasa-ground. Untuk stator generator yang besar, dibutuhkan suatu trafo konvensional 20 sampai 40 kVA.

Untuk on-line PD test, tegangan generator atau motor adalah dibangkitkan sendiri atau dari system tenaga.

VI. KESIMPULAN

Suatu test secara luas telah dikembangkan dan distandardisasi untuk membantu para pemakai dan pabrikan lilitan generator dan motor menilai kondisi isolasi. Dengan melakukan test ini, seseorang dapat memperoleh jaminan bahwa lilitan stator atau rotor tidak akan gagal dalam operasi.

VII. DAFTAR PUSTAKA

[1]. IEEE43– 2000, “IEEE Recommended Practice for Testing Insulation Resistance of Rotating Machinery”.

[2]. IEEE 56 – 1977, “IEEE Guide for Insulation Maintenance of Large Alternating Current Rotating Machinery”.

[3]. IEEE 95 –2003, “IEEE Recommended Practice for Insulation Testing of Large AC Rotating Machinery with High Direct Voltage.”

[4]. IEEE 286 -2000, “Recommended Practice for Measurement of Power Factor Tip-Up of Electric Machinery Stator Coil Insulation”.

[5]. IEEE 522-2004, “Guide for Testing Turn -to-Turn Insulation on Form Wound Stator Coils for Alternating Current Rotating Electrical Machines”.

[6]. IEEE 1434 - 2000, “IEEE Trial Use Guide to the Measurement of Partial Discharges in Rotating Machinery”.

[7]. G.C. Stone, A. Boulter, I. Culbert, H. Dhirani, “Electrical Insulation for Rotating Machines”, IEEE Press Wiley, Jan 2004.

[8]. B.K. Gupta, G.C. Stone, J. Stein, ”Use of AC and DC Hipot Tests to Assess Stator Winding Insulation”, Proceedings IEEE Electrical Insulation Conference, Chicago, September 2001, p605-608.

[9]. S. Hvidsten et al, “Understanding Water Treeing Mechanisms in the Development of Diagnostic Test Methods”, IEEE Trans

DEI, Oct 1998, pp754-760.[10]. W. McDermid, B.G. Solomon,

“Significance of Defects Found During High Direct Voltage Ramp Tests”, Proceedings IEEE Electrical Insulation Conference, Cincinnati, October 1999, p 631-6.

[11]. L. M. Rux, "High-Voltage DC Tests for Evaluating Stator Winding Insulation: Uniform Step, Graded Step, and Ramped Test Methods, 1997 Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, October, 1997, Minneapolis, pp. 258-262.

[12]. S.R. Campbell, G.C. Stone, “Examples of Stator Winding Partial Discharges Due to Inverter Drives”, Proceedings IEEE International Symposium On Electrical Insulation, April 2000, Anaheim CA, pp 231-234.