Apa Sifat-sifat Mekanisme Kegagalan dan Tindakan Pencegahan dari Kapasitor Listrik

1 Mekanisme Kegagalan Kapasitor Daya

Kapasitor daya terutama terdiri dari housing, inti kapasitor, media isolasi, dan struktur terminal. Housing biasanya terbuat dari baja tipis atau stainless steel, dengan bushing yang di las ke tutupnya. Inti kapasitor dibuat dengan melilit film polipropilena dan foil aluminium (elektroda), dan bagian dalam housing diisi dengan dielektrik cair untuk isolasi dan pendinginan.

Sebagai perangkat yang sepenuhnya tertutup, jenis kegagalan umum pada kapasitor daya termasuk:

• Kerusakan elemen kapasitor internal;

• Pemutusan sekring;

• Kegagalan korsleting internal;

• Kegagalan pelepasan luar.

Kegagalan internal lebih merusak badan kapasitor dan, setelah terjadi, biasanya tidak dapat diperbaiki di tempat, sangat mempengaruhi efisiensi pemanfaatan peralatan.

1.1 Kerusakan Elemen Kapasitor Internal

Kerusakan elemen kapasitor disebabkan oleh faktor-faktor seperti penuaan dielektrik, masuknya kelembaban, cacat produksi, dan kondisi operasi yang keras. Jika elemen tersebut tidak memiliki sekring internal, kerusakan satu elemen akan menyebabkan korsleting elemen-elemen lain yang tersambung paralel, menghilangkan pembagian tegangan. Ini meningkatkan tegangan operasional di elemen-elemen seri yang tersisa. Tanpa isolasi cepat, ini menimbulkan risiko keselamatan serius dan mungkin menyebabkan kegagalan besar.Penggunaan sekring internal memungkinkan isolasi efektif dan cepat dari elemen yang rusak, meningkatkan keamanan operasional.

Kerusakan kapasitor dapat diklasifikasikan menjadi tiga jenis: kerusakan listrik, kerusakan termal, dan kerusakan pelepasan parsial.

• Kerusakan Listrik: Disebabkan oleh overvoltage atau harmonik, menyebabkan kekuatan medan listrik yang terlalu tinggi di dielektrik, menghasilkan kegagalan isolasi pada titik-titik cacat. Karakteristiknya adalah durasi singkat dan intensitas medan tinggi. Kekuatan kegagalan erat berkaitan dengan keuniforman medan tetapi kurang sensitif terhadap suhu dan durasi tegangan.

• Kerusakan Termal: Terjadi ketika pembuangan panas melebihi penyebaran, menyebabkan kenaikan suhu berkelanjutan di dielektrik, mengakibatkan degradasi material dan kegagalan isolasi akhirnya. Ini biasanya terjadi selama operasi steady-state, dengan tegangan kegagalan relatif lebih rendah dan waktu aplikasi tegangan lebih lama dibandingkan kerusakan listrik.

• Kerusakan Pelepasan Parsial: Dikarenakan oleh medan listrik lokal tinggi di dalam dielektrik, melebihi kekuatan kegagalan daerah permittivitas rendah seperti cairan, gas, atau impuritas. Ini memicu pelepasan parsial yang secara bertahap merusak kinerja isolasi, akhirnya berkembang menjadi kegagalan total melalui elektroda. Proses ini progresif, berkembang dari pelepasan non-penetrasi hingga kegagalan isolasi penuh.

1.2 Pemutusan Sekring

Perlindungan sekring adalah salah satu langkah perlindungan yang paling umum untuk kapasitor daya dan berperan penting dalam operasi aman dan stabil sistem kompensasi. Perlindungan sekring dikategorikan menjadi perlindungan sekring eksternal dan internal.

• Perlindungan Sekring Eksternal: Ketika elemen kapasitor internal gagal, arus gangguan melalui kapasitor dan sekring eksternal meningkat. Begitu arus mencapai ambang leleh sekring, sekring panas, putus keseimbangan termal, dan meleleh, memutus kapasitor yang rusak untuk mencegah eskalasi gangguan.

• Perlindungan Sekring Internal: Setelah elemen gagal, elemen paralel melepaskan arus ke elemen yang bermasalah, menghasilkan arus sementara dengan amplitudo tinggi yang cepat meredam. Energi dari arus ini melelehkan sekring seri internal, mengisolasi elemen yang rusak dan memungkinkan kapasitor sisanya untuk terus beroperasi.

Dalam praktiknya, pemilihan sekring yang tidak tepat atau kontak terminal yang buruk dapat menyebabkan pemutusan sekring abnormal selama operasi normal, menghapus kapasitor yang sehat secara keliru dan mengurangi output daya reaktif.

Jika sekring internal dipilih tidak tepat dan gagal mengisolasi gangguan dengan cepat, gangguan mungkin memburuk, potensial menyebabkan ledakan atau kebakaran kapasitor.

1.3 Kegagalan Korsleting Internal

Kegagalan korsleting internal pada kapasitor daya terutama termasuk korsleting antara elektroda hidup dan housing serta korsleting antar elektroda. Hal ini disebabkan oleh penuaan dielektrik jangka panjang, masuknya kelembaban internal, stres overvoltage, atau cacat isolasi intrinsik dari proses desain atau manufaktur, semua yang dapat menyebabkan kegagalan insulasi tipe tusukan dan korsleting internal.

1.4 Kegagalan Pelepasan Luar

Kegagalan pelepasan luar merujuk pada kegagalan yang terjadi di luar badan kapasitor, disebabkan oleh faktor-faktor eksternal seperti flashover permukaan bushing, tusukan bushing, korsleting fase-ke-fase atau fase-ke-tanah, atau retak pada bushing porcelen karena stres mekanis. Kegagalan-kegagalan ini memiliki penyebab yang beragam tetapi terjadi di rangkaian eksternal. Mereka umumnya dapat dideteksi dan ditangani tepat waktu melalui tindakan perlindungan relay, inspeksi rutin, atau pengujian offline. Probabilitas dan keparahan kejadian mereka lebih rendah daripada kegagalan internal, namun masih layak mendapat perhatian yang cukup.

2 Karakteristik dan Penyebab Umum Kegagalan Kapasitor Daya
2.1 Kecurian Minyak dari Badan Kapasitor

Sebagai perangkat tertutup penuh, high-field-strength, dan high-current, kecurian minyak pada kapasitor daya tidak hanya mengurangi tingkat isolasi karena penurunan level minyak tetapi juga memungkinkan masuknya kelembaban karena penurunan tekanan internal. Ini menyebabkan isolasi basah, resistansi isolasi berkurang, dan akhirnya kegagalan elemen internal atau bahkan ledakan.

Penyebab utama kecurian minyak termasuk: pengelasan buruk yang menyebabkan segel tidak adekuat; karet yang menua atau terkena stres tidak merata; kerusakan mekanis selama transportasi atau instalasi; perawatan yang tidak memadai menyebabkan korosi housing; dan stres mekanis yang merusak segel bushing.

2.2 Deformasi Housing Kapasitor

Dalam kondisi operasi normal, ekspansi atau kontraksi minor pada housing kapasitor karena variasi suhu dan tegangan dapat diterima. Namun, ketika kekuatan medan listrik internal berlebihan, menyebabkan pelepasan parsial atau korsleting, dielektrik terurai dan menghasilkan gas dalam jumlah besar. Ini meningkatkan tekanan internal di ruang tertutup, menyebabkan housing membengkak atau deformasi.

Setelah deformasi parah terjadi, perbaikan di tempat biasanya tidak mungkin, dan penggantian diperlukan. Deformasi housing tidak hanya memperburuk penurunan isolasi internal tetapi juga dapat merusak struktur listrik, mengubah jarak isolasi asli. Dalam kasus yang parah, ini dapat menyebabkan retak bushing (lihat Gambar 1), potensial menyebabkan ledakan atau kebakaran.

Deformasi housing terutama disebabkan oleh masalah kualitas produk, seperti: kualitas bahan elektroda atau dielektrik yang buruk; penggunaan minyak isolasi yang tidak menyerap gas; lingkungan atau proses manufaktur yang tidak memadai; residu impurities selama produksi; pengejaran berlebihan metrik kinerja tertentu; atau bahan housing yang terlalu tipis.

2.3 Kenaikan Suhu Abnormal pada Kapasitor

Kenaikan suhu abnormal pada kapasitor daya menyebabkan suhu badan berlebihan, yang mempercepat penuaan termal dielektrik internal, mengurangi kekuatan isolasinya, dan mungkin bahkan memicu pelepasan parsial. Umur layanan kapasitor daya umumnya mengikuti "aturan 8°C": untuk setiap kenaikan 8°C di atas suhu operasi yang diizinkan, umur harapan sekitar setengahnya.

Kenaikan suhu abnormal terutama disebabkan oleh ventilasi yang buruk atau kondisi overcurrent jangka panjang. Contohnya: tata letak ruang kapasitor yang tidak rasional atau penempatan peralatan ventilasi yang tidak tepat yang menyebabkan pendinginan yang tidak memadai; peningkatan panas karena operasi overvoltage yang menyebabkan overcurrent; dan arus harmonik yang dihasilkan oleh unit rectifier juga berkontribusi pada overheating kapasitor. Selain itu, penuaan dielektrik, masuknya kelembaban, atau kegagalan komponen internal dapat meningkatkan kerugian daya, memperburuk kenaikan suhu.

2.4 Pelepasan Permukaan pada Bushing Kapasitor

Komponen dalam instalasi kapasitor daya biasanya disusun padat. Selama operasi, lingkungan sekitar memiliki suhu dan intensitas medan listrik yang tinggi, membuat partikel bermuatan mudah diserap. Ini menyebabkan akumulasi kontaminan pada permukaan bushing, meningkatkan arus bocor permukaan. Di bawah pengaruh harmonik sistem dan tegangan, arcing permukaan lokal mungkin terjadi pada porcelen bushing. Ketika kontaminan mencapai tingkat kritis, dapat menyebabkan pelepasan permukaan, disertai dengan suara abnormal. Dalam kasus yang parah, ini dapat menyebabkan korsleting fase-ke-tanah eksternal.

2.5 Suara Abnormal dari Kapasitor

Kapasitor daya adalah perangkat kompensasi reaktif statis tanpa komponen bergerak atau komponen eksitasi magnetik. Dalam operasi normal, seharusnya tidak menghasilkan suara. Jika suara abnormal terjadi selama operasi, mungkin menandakan pelepasan parsial energi tinggi di dalam kapasitor, dan peralatan harus segera dimatikan untuk diperiksa.

2.6 Ruptur Kapasitor

Ruptur kapasitor adalah kegagalan serius dengan konsekuensi signifikan. Biasanya terjadi ketika elemen kapasitor internal mengalami kegagalan isolasi antar elektroda atau elektroda-ke-housing, menghasilkan korsleting melalui-fault. Kapasitor lain yang beroperasi paralel kemudian akan mengisi dan melepaskan arus dengan cepat ke unit yang bermasalah. Jika energi yang disuntikkan melebihi kekuatan mekanis housing, kapasitor mungkin pecah dan mengeluarkan minyak, potensial menyebabkan kebakaran, mengancam keselamatan seluruh substation, dan bahkan menyebabkan cedera atau kematian personil.

Insiden ruptur berantai yang melibatkan seluruh bank kapasitor ditunjukkan pada Gambar 2, dipicu oleh kegagalan elemen kapasitor internal; kondisi detail elemen yang gagal digambarkan pada Gambar 3.

2.7 Overheating pada Terminal Koneksi Bank Kapasitor

Setelah diberi energi, bank kapasitor daya beroperasi dengan beban penuh dengan arus sirkuit yang tinggi. Jika koneksi internal menunjukkan kontak yang buruk, desain atau praktek instalasi yang tidak memadai, atau perawatan yang tidak cukup, overheating lokal pada titik koneksi mungkin terjadi. Overheating yang berkepanjangan dapat menyebabkan akumulasi energi termal yang berlebihan, potensial menyebabkan konduktor koneksi meleleh. Kegagalan overheating pada terminal bank kapasitor relatif umum; kondisi koneksi yang meleleh ditunjukkan pada Gambar 4.

3 Tindakan Pencegahan terhadap Kecelakaan

3.1 Menjamin Kualitas dalam Manufaktur dan Komisioning Instalasi Peralatan

Operasi aman kapasitor daya bergantung pada kualitas manufaktur dan komisioning instalasi peralatan. Selama produksi, penting untuk mengikuti alur proses secara ketat, menggunakan bahan baku dan peralatan produksi yang berkualitas, dan meningkatkan pengawasan kualitas sepanjang proses. Inspeksi pabrik yang ketat memastikan kualitas produk. Instalasi di lapangan harus "difase dan dikelompokkan" secara wajar untuk memastikan pencocokan kapasitansi yang seimbang antar fase dan bagian. Selain itu, penekanan harus diberikan pada serah terima dan penerimaan situs setelah instalasi untuk memastikan kualitas instalasi dan meminimalisir kegagalan selama operasi.

3.2 Meningkatkan Metode Operasi dan Beroperasi

• Saat melakukan operasi penghidupan dan pemutusan beban jalur, bank kapasitor harus mengikuti prinsip "putuskan dulu, kemudian hubungkan," sementara jalur beban harus mengikuti urutan "hubungkan dulu, kemudian putus." Urutan ini tidak boleh diubah secara sembarangan.

• Sebelum memulihkan operasi bank kapasitor, waktu pengurasan yang cukup harus dipastikan. Penggantian bank kapasitor yang sering harus diminimalisir; hanya setelah pengurasan lengkap baru dapat dilakukan penutupan ulang. Jika gangguan menyebabkan perangkat pelindung memutus bank kapasitor, tidak boleh dihubungkan kembali sebelum mengetahui penyebabnya untuk mencegah eskalasi kecelakaan.

• Untuk menghindari harmonik orde tinggi mempengaruhi bank kapasitor, pilih laju reaktor yang sesuai berdasarkan skenario aplikasi spesifik. Ini secara efektif menekan harmonik orde tinggi, mengurangi arus inrush dan overvoltage saat penutupan, memastikan operasi aman seluruh sistem.

3.3 Mengontrol Suhu Lingkungan Operasional

Suhu operasional kapasitor secara langsung mempengaruhi kinerja dan umur layanan. Suhu tinggi mempercepat penuaan isolasi, mempersingkat umur layanan. Oleh karena itu, mengontrol suhu lingkungan operasional sangat penting. Bank kapasitor yang dipasang di dalam ruangan harus menjaga ventilasi yang baik dan, jika perlu, pasang sistem kontrol suhu otomatis. Unit luar ruangan harus menghindari paparan sinar matahari langsung dan pastikan ventilasi dan pendinginan yang memadai. Lakukan termografi inframerah hidup secara rutin pada bank kapasitor dan peralatan terkait untuk mengambil tindakan tepat waktu, memastikan suhu medium internal dan suhu lingkungan sesuai peraturan.

3.4 Melaksanakan Pemantauan Online Status Operasional Peralatan

Memasang perangkat pemantauan online pada bank kapasitor memfasilitasi pemantauan status operasional secara real-time, membantu deteksi dan penanganan cepat potensi kegagalan. Ini termasuk memonitor tegangan operasional aktual, pelepasan parsial, rugi dielektrik, kapasitansi, arus bocor, dan sinyal karakteristik lainnya. Tidak hanya membantu dalam diagnosis dan isolasi kegagalan, tetapi juga memungkinkan analisis cacat potensial, mencapai peringatan prediktif kegagalan.

3.5 Meningkatkan Inspeksi Rutin Peralatan

Menguatkan inspeksi rutin sangat penting untuk memastikan operasi normal bank kapasitor. Fokus harus ditempatkan pada pemeriksaan deformasi casing, kebocoran minyak, tingkat kontaminasi insulator porcelen, tanda-tanda pelepasan, jarak listrik, dan suhu lingkungan. Metode bantu seperti termografi inframerah dapat mendeteksi overheating pada koneksi, memungkinkan perawatan tepat waktu dan memastikan operasi aman bank kapasitor daya.

Kesimpulan

Dengan menganalisis mekanisme kegagalan, karakteristik, dan penyebab kapasitor daya, artikel ini mengusulkan tindakan pencegahan dari lima aspek: kualitas manufaktur dan komisioning instalasi, metode operasi, kontrol suhu lingkungan operasional, pemantauan online status operasional, dan inspeksi rutin. Rekomendasi ini memberikan panduan praktis untuk penerapan efektif kapasitor daya.