Pengujian Indeks Polarisasi pada Motor Listrik Kini Dilampaui oleh Metode Modern

Mengenai pengujian motor listrik, indeks polarisasi (PI) adalah ukuran seberapa besar resistensi sistem insulasi meningkat (atau menurun) dari waktu ke waktu.

Meskipun PI Test telah dianggap sebagai pengujian utama saat mengevaluasi kondisi insulasi motor, prosesnya telah ketinggalan zaman dibandingkan dengan metode pengujian yang lebih baru yang memberikan evaluasi diagnostik yang lebih komprehensif terhadap kesehatan motor secara keseluruhan.

Artikel ini memberikan pemahaman praktis tentang sistem insulasi motor, pemahaman dasar tentang pengujian indeks polarisasi, dan bagaimana metode pengujian motor modern memberikan hasil yang lebih komprehensif dalam waktu yang lebih singkat.

Indeks Polarisasi (PI)

Uji indeks polarisasi (PI) adalah metode pengujian motor listrik standar yang dikembangkan pada tahun 1800-an yang mencoba menentukan kesehatan isolasi belitan motor.

Meskipun tes PI memberikan informasi tentang sistem ground wall insulation (GWI) yang biasanya dipasang sebelum tahun 1970-an, tes ini gagal memberikan kondisi yang akurat tentang insulasi belitan pada motor modern.

Pengujian PI melibatkan penerapan tegangan DC (biasanya 500V – 1000V) ke belitan motor untuk mengukur keefektifan sistem GWI dalam menyimpan muatan listrik.

Karena sistem GWI membentuk kapasitansi alami antara belitan motor dan rangka motor, tegangan DC yang diberikan akan disimpan sebagai muatan listrik sama seperti kapasitor lainnya.

Saat kapasitor terisi penuh, arus akan berkurang hingga yang tersisa hanyalah arus bocor akhir, yang menentukan jumlah resistensi yang diberikan insulasi ke arde.

Pada sistem insulasi yang baru dan bersih, arus polarisasi berkurang secara logaritmik seiring dengan waktu karena elektron disimpan. Indeks Polarisasi (PI) adalah rasio nilai resistansi isolasi terhadap arde (IRG) yang diambil pada interval 1 dan 10 menit.

PI = IRG 10 Menit / IRG 1 Menit

Pada sistem insulasi yang dipasang sebelum tahun 1970-an, pengujian PI terjadi ketika bahan dielektrik sedang terpolarisasi.

Jika insulasi dinding arde (GWI) mulai rusak, maka akan terjadi perubahan kimiawi yang menyebabkan bahan dielektrik menjadi lebih resistif dan kurang kapasitif, sehingga menurunkan konstanta dielektrik dan mengurangi kemampuan sistem insulasi untuk menyimpan muatan listrik. Hal ini menyebabkan arus polarisasi menjadi lebih linier saat mendekati kisaran di mana arus bocor mendominasi.

Namun, pada sistem insulasi yang lebih baru setelah tahun 1970-an, karena berbagai alasan, seluruh polarisasi bahan dielektrik terjadi dalam waktu kurang dari satu menit, dan pembacaan IRG di atas 5.000 Meg-ohm. PI yang dihitung mungkin tidak berarti sebagai indikasi kondisi indikasi dinding tanah.

Selain itu, karena pengujian ini menciptakan medan elektrostatik antara belitan dan rangka motor, pengujian ini hanya memberikan sedikit sekali indikasi tentang kondisi sistem insulasi belitan. Indikasi terbaik dari jenis gangguan ini melalui penggunaan pengukuran MCA dari sudut fasa dan respons frekuensi saat ini.

Bahan Isolasi

Pada motor listrik, insulasi adalah bahan yang menahan aliran bebas elektron, mengarahkan arus melalui jalur yang diinginkan dan mencegahnya keluar ke tempat lain.

Secara teori, insulasi seharusnya memblokir semua aliran arus, tetapi bahkan bahan insulasi terbaik pun memungkinkan sejumlah kecil arus melewatinya. Kelebihan arus ini biasanya disebut sebagai arus bocor.

Meskipun secara umum diterima bahwa motor memiliki masa pakai 20 tahun, kegagalan sistem isolasi adalah alasan utama motor listrik rusak sebelum waktunya.

Sistem insulasi mulai menurun ketika insulasi menjadi lebih konduktif karena perubahan komposisi kimianya. Susunan kimiawi insulasi berubah seiring waktu dari penggunaan bertahap dan/atau kerusakan lainnya. Arus bocor bersifat resistif dan menimbulkan panas yang mengakibatkan degradasi tambahan dan lebih cepat pada insulasi.

Catatan: Sebagian besar kabel berenamel dirancang untuk menjamin masa pakai 20.000 jam pada suhu terukur (105 hingga 240°C).

Sistem Isolasi

Motor dan peralatan listrik lainnya dengan kumparan memiliki 2 sistem isolasi yang terpisah dan independen.

1. Sistem isolasi dinding arde memisahkan kumparan dari rangka motor, mencegah tegangan yang disuplai ke belitan agar tidak keluar ke inti stator atau bagian mana pun dari rangka motor. Kerusakan sistem insulasi dinding arde disebut gangguan arde dan menimbulkan bahaya keselamatan.
2. Sistem insulasi belitan adalah lapisan enamel yang mengelilingi kawat penghantar yang mengalirkan arus ke seluruh kumparan untuk menciptakan medan magnet stator. Kerusakan sistem insulasi belitan disebut korsleting belitan dan melemahkan medan magnet kumparan.

Gambar 1: 2 sistem isolasi terpisah

Resistansi Isolasi terhadap Tanah (IRG)

Uji kelistrikan yang paling umum dilakukan pada motor adalah uji tahanan isolasi terhadap arde (IRG) atau “uji titik”.

Dengan menerapkan tegangan DC ke belitan motor, pengujian ini menentukan titik resistansi minimum yang diberikan isolasi dinding arde ke rangka motor.

Kapasitansi

Kapasitansi (C), diukur dalam Farad, didefinisikan sebagai kemampuan sistem untuk menyimpan muatan listrik. Menetapkan kapasitansi motor ditemukan dengan menggunakan persamaan: 1 Farad = jumlah muatan yang tersimpan dalam coulomb (Q) dibagi dengan tegangan suplai.

Contoh: Jika tegangan yang digunakan adalah baterai 12V dan kapasitor menyimpan muatan 0,04 coulomb, maka kapasitor akan memiliki kapasitansi 0,0033 Farad atau 3,33 mF. Satu coulomb muatan adalah sekitar 6,24 x ¹⁰¹⁸ elektron atau proton. Kapasitor 3,33 mF akan menyimpan sekitar 2,08 X ¹⁰¹⁶ elektron ketika terisi penuh.

Kapasitansi dibuat dengan menempatkan bahan dielektrik di antara pelat konduktif. Pada motor, sistem insulasi dinding arde membentuk kapasitansi alami antara belitan motor dan rangka motor. Konduktor berliku membentuk satu pelat dan rangka motor membentuk pelat lainnya, menjadikan isolasi dinding arde sebagai bahan dielektrik.

Jumlah kapasitansi tergantung pada:

1. Luas permukaan pelat yang diukur – Kapasitansi berbanding lurus dengan luas pelat.
2. Jarak antara pelat – Kapasitansi berbanding terbalik dengan jarak antara pelat.
3. Konstanta dielektrik – Kapasitansi berbanding lurus dengan konstanta dielektrik.

Kapasitansi ke Tanah (CTG)

The
kapasitansi-ke-tanah
(CTG) menunjukkan kebersihan belitan dan kabel motor.

Karena insulasi dinding arde (GWI ) dan sistem insulasi belitan membentuk kapasitansi alami ke arde, setiap motor akan memiliki CTG yang unik saat motor masih baru dan bersih.

Jika belitan motor atau GWI terkontaminasi, atau motor memiliki kelembapan, CTG akan meningkat. Namun, jika GWI atau insulasi belitan mengalami degradasi termal, insulasi akan menjadi lebih resistan dan lebih sedikit kapasitif yang menyebabkan CTG menurun.

Bahan Dielektrik

Bahan dielektrik adalah konduktor listrik yang buruk, tetapi mendukung medan elektrostatik. Dalam medan elektrostatik, elektron tidak menembus bahan dielektrik dan molekul positif dan negatif berpasangan untuk membentuk dipol (pasangan molekul bermuatan berlawanan yang dipisahkan oleh jarak) dan terpolarisasi (sisi positif dipol akan sejajar ke arah potensial negatif dan muatan negatif akan sejajar ke arah potensial negatif).

Konstanta Dielektrik (K)

Konstanta dielektrik (K) adalah ukuran kemampuan bahan dielektrik untuk menyimpan muatan listrik dengan membentuk dipol, relatif terhadap ruang hampa udara yang memiliki K sebesar 1.

Konstanta dielektrik bahan isolasi tergantung pada susunan kimiawi molekul yang digabungkan untuk membentuk bahan tersebut.

K suatu bahan dielektrik dipengaruhi oleh densitas bahan, suhu, kadar air, dan frekuensi medan elektrostatik.

Kehilangan Dielektrik

Sifat penting dari bahan dielektrik adalah kemampuannya untuk mendukung medan elektrostatik, sekaligus membuang energi minimal dalam bentuk panas, yang dikenal sebagai kehilangan dielektrik.

Kerusakan Dielektrik

Ketika tegangan pada bahan dielektrik menjadi terlalu tinggi sehingga menyebabkan medan elektrostatik menjadi terlalu kuat, bahan dielektrik akan menghantarkan listrik dan disebut sebagai kerusakan dielektrik. Pada bahan dielektrik padat, kerusakan ini mungkin bersifat permanen.

Apabila terjadi kerusakan dielektrik, bahan dielektrik mengalami perubahan dalam komposisi kimianya dan mengakibatkan perubahan konstanta dielektrik.

Arus yang Digunakan dengan Mengisi Daya Kapasitor

Beberapa dekade yang lalu, uji indeks polarisasi (PI) diperkenalkan untuk mengevaluasi kemampuan sistem insulasi dalam menyimpan muatan listrik. Karena pada dasarnya ada tiga arus yang berbeda, seperti yang dijelaskan di atas, yang terlibat dalam pengisian kapasitor.

1. Arus Pengisian – Arus yang terakumulasi pada pelat dan bergantung pada area pelat dan jarak di antara keduanya. Arus pengisian daya biasanya berakhir dalam < dari 1 menit. Jumlah pengisian akan sama, apa pun kondisi bahan isolasi.
2. Arus Polarisasi – Arus yang diperlukan untuk mempolarisasi bahan dielektrik, atau menyelaraskan diplo yang dibuat dengan menempatkan bahan dielektrik dalam medan elektrostatik. Biasanya dengan sistem insulasi yang dipasang pada motor (sebelum tahun 1970-an) ketika pengujian indeks polarisasi dikembangkan, nilai nominal sistem insulasi bersih yang baru akan berada dalam kisaran 100-an megaohm (¹⁰⁶) dan biasanya membutuhkan lebih dari 30 menit dan dalam beberapa kasus berjam-jam untuk menyelesaikannya. Namun, dengan sistem insulasi yang lebih baru (pasca 1970-an), nilai nominal sistem insulasi baru yang bersih akan berada dalam giga-ohm hingga tera-ohm (¹⁰⁹, ¹⁰¹²) dan biasanya terpolarisasi penuh sebelum arus pengisian daya selesai sepenuhnya.
3. Arus Bocor – Arus yang mengalir melintasi bahan isolasi dan menghilangkan panas.

Arus Pengisian Daya

Kapasitor tak bermuatan memiliki pelat yang memiliki jumlah muatan positif dan negatif yang sama.

Menerapkan sumber DC ke pelat kapasitor yang tidak terisi daya akan menyebabkan elektron mengalir dari sisi negatif baterai dan terakumulasi pada pelat yang terhubung ke kutub negatif baterai.

Hal ini akan menciptakan kelebihan elektron pada pelat ini.

Elektron akan mengalir dari pelat yang terhubung ke kutub positif baterai dan mengalir ke dalam baterai untuk menggantikan elektron yang terakumulasi pada pelat negatif. Arus akan terus mengalir hingga tegangan pada plat positif sama dengan sisi positif baterai dan tegangan pada plat negatif akan mencapai potensi sisi negatif baterai.

Jumlah elektron yang dipindahkan dari baterai ke pelat tergantung pada luas pelat dan jarak di antara keduanya.

Arus ini disebut sebagai arus pengisian daya, yang tidak mengkonsumsi energi dan disimpan dalam kapasitor. Elektron yang tersimpan ini menciptakan medan elektrostatik di antara pelat.

Arus Polarisasi

Menempatkan bahan dielektrik di antara pelat dalam kapasitor meningkatkan kapasitansi kapasitor relatif terhadap jarak antara pelat dalam ruang hampa.

Ketika bahan dielektrik ditempatkan dalam medan elektrostatik, dipol yang baru terbentuk akan terpolarisasi, dan ujung negatif dipol akan sejajar dengan pelat positif dan ujung positif dipol akan sejajar dengan pelat negatif. Hal ini disebut sebagai polarisasi.

Semakin tinggi konstanta dielektrik suatu bahan dielektrik, semakin banyak jumlah elektron yang diperlukan, sehingga meningkatkan kapasitansi rangkaian.

Arus Kebocoran

Sejumlah kecil arus yang mengalir melintasi bahan dielektrik sambil tetap mempertahankan sifat isolasinya disebut sebagai resistansi efektif. Hal ini berbeda dengan kekuatan dielektrik yang didefinisikan sebagai tegangan maksimum yang dapat ditahan oleh suatu bahan tanpa mengalami kegagalan.

Ketika bahan isolasi mengalami degradasi, bahan tersebut menjadi lebih resistif dan kurang kapasitif, meningkatkan arus bocor dan menurunkan konstanta dielektrik. Arus bocor menghasilkan panas dan dianggap sebagai kehilangan dielektrik.

Faktor Disipasi

Merupakan teknik pengujian alternatif yang menggunakan sinyal AC untuk menjalankan sistem isolasi dinding tanah (GWI). Seperti yang dijelaskan di atas dengan menggunakan sinyal DC untuk menguji GWI 3 arus yang berbeda, namun, instrumen ini tidak dapat membedakan arus selain waktu. Namun, dengan menerapkan sinyal AC untuk menguji GWI, dimungkinkan untuk memisahkan arus yang tersimpan (arus pengisian, arus polarisasi) dari arus resistif (arus bocor).

Karena arus pengisian dan polarisasi adalah arus yang tersimpan dan dikembalikan ke ½ siklus yang berlawanan, arus tersebut memimpin tegangan sebesar 90°, sedangkan arus bocor yang merupakan arus resistif yang membuang panas dan arus tersebut sefase dengan tegangan yang diberikan. Faktor disipasi (DF) secara sederhana adalah rasio arus kapasitif (_IC) terhadap arus resistif (_IR).

DF =_IC /_IR

Pada insulasi baru yang bersih, biasanya_IR adalah < 5% dari_IC, jika bahan insulasi terkontaminasi atau terdegradasi secara termal, baik_IC menurun atau_IR meningkat. Dalam kedua kasus tersebut, DF akan meningkat.

Ringkasan

Selama tahun 1800-an, uji indeks polarisasi merupakan metode yang efektif untuk menentukan kondisi motor secara keseluruhan. Namun, hal ini menjadi kurang efektif dengan sistem insulasi modern.

Meskipun tes PI memakan waktu (15+ menit) dan tidak dapat menentukan apakah gangguan ada di isolasi belitan atau groundwall, teknologi modern, seperti Analisis Rangkaian Motor (^MCATM)mengidentifikasi masalah koneksi, belokan-ke-belokan, kumparan-ke-kumparan, dan gangguan belitan yang berkembang dari fase ke fase pada tahap yang sangat awal dengan pengujian yang diselesaikan dalam waktu kurang dari 3 menit.

Teknologi lain, seperti DF, CTG & IRG, memberikan kondisi sistem insulasi dinding tanah dalam pengujian yang diselesaikan dalam waktu minimal juga.

Dengan menggabungkan teknologi baru, seperti ^MCATM, DF, CTG, dan IRG, metode pengujian motor listrik modern memberikan evaluasi yang jauh lebih komprehensif dan menyeluruh terhadap seluruh sistem insulasi motor dengan lebih cepat dan lebih mudah daripada sebelumnya.