Elektron Jurnal Ilmiah Volume 11  Nomor 1 Juni 2019
Perkiraan Tegangan Lewat Denyar Isolator Tegangan Menengah 20 kV Keramik dan Resin Epoksi berdasarkan Data Arus Bocor
Valdi Rizki Yandri 1* , Herisajani 2 , dan Fitriadi 3 1,2,3 Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Padang *Corresponding Author, email: valdi@pnp.ac.id
Abstract— This  paper  explains  the research  results  of leakage  current  data  and  estimation  of flashover  voltage  on ceramics and epoxy resin as 20 kV outdoor insulator in a chamber with tropical climate conditions. The waveform of leakage  current  (LC)  was  measured  using  a  digital  oscilloscope.  The  digital  data  was  transferred  to  a  personal computer using a RS-232 cable. The digital data was analyzed using Fast Fourier Transform. The result showed that LC  was  affected  by  various  environment  conditions  like  temperature,  humidity  and  pollution.  LC  of  ceramics insulator was higher than epoxy resin insulator in low temperature, high humidity and high pollution condition.
Keywords: outdoor insulator, ceramics, epoxy resin, leakage current, flashover voltage
Abstrak— Makalah ini menjelaskan hasil penelitian tentang data arus bocor dan perkiraan nilai tegangan lewat denyar keramik dan epoksi resin sebagai isolator 20 kV pada lemari uji dengan kondisi iklim topis. Gelombang arus bocor diukur dengan  menggunakan  osiloskop  digital.  Data  digital  ditransfer  ke  komputer  dengan  menggunakan  kabel  RS-232.  Data digital  dianalisis  dengan  menggunakan  Transformasi  Fast  Fourier.  Berdasarkan  hasil  penelitian,  arus  bocor dipengaruhi oleh kondisi lingkungan seperti temperatur, kelembapan dan polusi. Arus bocor pada isolator keramik lebih tinggi daripada isolator resin epoksi pada kondisi temperatur rendah, kelembapan tinggi dan tingkat polusi yang tinggi.
Kata kunci : isolator luar, keramik, resin epoksi, arus bocor, tegangan lewat denyar
© 2019 Elektron Jurnal Ilmiah

## I. PENDAHULUAN
Keramik  dan resin  epoksi  telah  banyak  digunakan di  berbagai  bidang.  Untuk  bidang  ketenagalistrikan, keramik  dan  resin  epoksi  dapat  digunakan  sebagai isolator.  Agar  dapat  digunakan  secara  optimal, karakteristik fisik dan elektrik kedua material ini harus stabil meskipun sudah dipengaruhi penuaan.
Karakterisitik  elektrik  yang  akan  diuji  dalam penelitian  ini  adalah  arus  bocor.  Berdasarkan  hasil pengukuran  arus  bocor,  dapat  dianalisis  estimasi tegangan  lewat  denyar  dengan  menggunakan  metoda statistic pada aplikasi SPSS dan Matlab. Karakteristik fisik  yang  akan  diuji  adalah hidrofobisitas.  Fenomena lainnya  yang  akan  diuji  adalah  pengaruh dry  band terhadap  kinerja  isolator,  yang  dapat  terbentuk  akibat polusi  dan  kelembaban  udara.  Kedua  faktor  ini  dapat mengakibatkan  terjadinya breakdown pada  isolator. Selain  itu,  dalam  penelitian  ini  juga  dibandingkan beberapa  parameter  lainnya  yang  sudah  didapat  dari produsen isolator.
Dalam  penelitian  ini,  keramik  dan  resin  epoksi diuji  karakteristiknya  dalam  sebuah  lemari  uji  yang dapat  diatur  kondisinya  menjadi  seperti  pada  iklim tropis.  Dengan  demikian,  data-data  berkaitan  dengan isolator keramik dan resin epoksi bias didapatkan pada beberapa  variasi  polusi,  kelembaban  udara  dan temperature lingkungan.
II. METODE
Jenis  isolator  pertama  yang  digunakan  dalam penelitian ini  adalah isolator  keramik  tipe  pin  dengan berat 8,2 kg dan komposisi 50% clay (Al 2 O 3 .2SiO 2 .2H 2 O),  25%  silika  dan  25%  keramik (4K 2 O.Al 2 O3.3SiO 2 ) [1]. Isolator keramik ditunjukkan pada  gambar  1.  Jenis  isolator  kedua  adalah  isolator resin  epoksi  tipe  pin  dengan  berat  1,8  kg. Curing agent dari  isolator  resin  epoksi  ini  adalah diamine . Isolator resin epoksi ditunjukkan pada gambar 2.
Gambar 1. Isolator Keramik Tipe Pin untuk Saluran Udara Tegangan Menengah (SUTM) 20 kV
Elektron Jurnal Ilmiah Vol.11 No. 1 (2019) 34-38
Gambar 2. Isolator Resin Epoksi Tipe Pin untuk Saluran Udara Tegangan Menengah (SUTM) 20 kV
Ukuran  lemari  uji  yang  digunakan  adalah 90x90x120  cm 3 dengan  pintu  penutup  berupa  akrilik transparan  berukuran  80x80  cm 2 .  Temperatur  dan kelembaban udara dalam lemari uji dapat diatur sesuai dengan iklim tropis. Temperatur lemari uji divariasikan  seperti  pada  iklim  tropis,  yaitu  25  C sampai dengan 35  C. Kelembaban udara daam lemari uji  divariaskan  pada  kondisi  kelembaban  rendah  (50- 60%), kelembaban menengah (70-80%) dan kelembaban tinggi (85-98%).
Polutan  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini adalah  kaolin-garam  dengan  konduktivitas  bervariasi antara  6  mS/cm  sampai  dengan  36  mS/cm.  Standar IEC  507  digunakan  sebagai  dasar  untuk  mengatur polusi  ini.  Arus  bocor  diukur  dengan  menggunakan osiloskop  digital  jenis  Textronik  TDS  220  dengan digitizer 8  bit, bandwith 100  MHz  dan maximum sampling  rate 1  GS/s.  Data  arus  bocor  dianalisis dengan  menggunakan Fast  Fourier  Transform (FFT) untuk  mendapatkan Total  Harmonic  Distortion (THD).  THD  dapat  dinyatakan  dalam  persamaan berikut:
2 2 1 n i I THD I     (1)
Dimana:
I n : harmonisa ke-n, dengan n = 2,3,4 ….
I 1 : harmonisa dasar (n = 1)
Berdasrakan  data  arus  bocor,  dapat  dianalisis korelasi antara arus bocor dengan tegangan uji dengan menggunakan  metoda  regresi  non  linear.  Analisis selanjutnya  adalah  dengan  metoda  diferensial  untuk menentukan nilai maksimum sehingga dapat diperkirakan  nilai  tegangan  lewat  denyar.  Bentuk korelasi antara arus bocor dengan tegangan uji adalah sebagai berikut:
leakage testing
I V    (2)
where :
α adalah koefisien tegangan uji
β adalah derajat tegangan uji

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  penelitian  dibahas  dan  dibandingkan  dengan hasil penelitian dari artikel yang diacu, jika mungkin.
A. Arus Bocor sebagai Fungsi dari Tegangan Uji
Pada  gambar  3,  ditunjukkan  grafik  arus  bocor sebagai  fungsi  dari  tegangan  uji  pada  isolator  tanpa polutan  pada  kelembaban  rendah  dan  tinggi.  Pada gambar  4,  ditunjukkan  grafik  arus  bocor  sebagai fungsi  dari  tegangn  uji  pada  kadar  polutan  6  mS/cm pada kelembaban rendah dan tinggi.
(a) Temperatur 25 ºC dan Kelembaban 70-80%
(b) Temperatur 25 ºC dan Kelembaban 85-98% (c) Temperatur 30 ºC dan Kelembaban 50-60% 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 0 10 20 30 40 L C ( μ A ) Testing Voltage (kV) Resin Epoksi Keramik 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 0 10 20 30 40 L C ( μ A) Testing Voltage (kV) Resin Epoksi Keramik 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 0 10 20 30 40 L C ( μ A) Testing Voltage (kV) Resin Epoksi Keramik
(d) Temperatur 30 ºC dan Kelembaban 70-80%
(e) Temperatur 35  C dan Kelembaban 50-60%
Gambar 3. Grafik Arus Bocor sebagai Fungsi dari Tegangan Uji pada Berbagai Variasi Kondisi Lingkungan untuk Isolator tanpa
Polutan
(a) Temperatur 25  C dan Kelembaban 70-80% (b) Temperature 25  C dan Kelembaban 85-98%
(c) Temperatur 30  C dan Kelembaban 50-60%
(d) Temperatur 30  C dan Kelembaban 70-80%
(e) Temperatur 35  C dan Kelembaban 50-60%
Gambar 4. Grafik Arus Bocor sebagai Fungsi dari Tegangan Uji pada Berbagai Variasi Kondisi Lingkungan untuk Isolator yang terkena Polutan
Arus  bocor  pada  isolator  keramik  pada  kondisi tanpa  polutan,  temperatur  25  C  dan  kelembaban  70- 80%  berkisar antara  1,15  –  22,90  µA  sedangkan arus bocor pada isolator resin epoksi berkisar antara 1,08 – 21,90 μA.

## B. Estimasi Nilai Tegangan Lewat Denyar
Berdasarkan  pada  data  hasil  pengukuran  arus  bocor, dapat  diperkirakan  nilai  tegangan  lewat  denyar. Metoda statistik pada aplikasi SPSS dan Matlab dapat digunakan  untuk  estimasi  ini.  SPSS  dapat  digunakan untuk  mengetahui  bentuk  persamaan  arus  bocor sebagai  fungsi  dari  tegangan  uji.  Setelah  itu, digunakan Matlab untuk menganalisis nilai maksimum arus  bocor  terjadi pada  suatu nilai  tegangan  uji.  Nilai tegangan  uji  inilah  yang  menyatakan  nilai  tegangan lewat denyar.
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 0 10 20 30 40 L C ( μ A) Testing Voltage (kV) Resin Epoksi Keramik 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 0 10 20 30 40 L C ( μ A) Testing Voltage (kV) Resin Epoksi Keramik 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 0 10 20 30 40 L C ( μ A) Testing Voltage (kV) Resin Epoksi Keramik 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 0 10 20 30 40 L C ( μ A) Testing Voltage (kV) Resin Epoksi Keramik 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 0 10 20 30 40 L C ( μ A) Testing Voltage (kV) Resin Epoksi Keramik 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 0 10 20 30 40 L C ( μ A) Testing Voltage (kV) Resin Epoksi Keramik 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 0 10 20 30 40 L C ( μ A) Testing Voltage (kV) Resin Epoksi Keramik
Berikut ini, ditunjukkan hasil simulasi dengan aplikasi SPSS  dan  Matlab  untuk  mendapatkan  nilai  tegangan lewat denyar isolator keramik dan resin epomsi.
Isolator: keramik
Kondisi: temperatur 30ºC ; kelembaban 50-60%

## Dengan menggunakan SPSS :
Call:  lm(formula  =  lnLC  ~  lnTV^3  +  lnTV^4, data  =  PengolahanKF305060,  na.action  = na.exclude) Residuals: Min       1Q   Median      3Q     Max -0.05803 -0.03298 -0.00884 0.03731 0.08382 Coefficients:
Value    Std.  Error    t  value Pr(>|t|)
(Intercept)    2.1810      0.0223        97.5979 0.0000 I(lnTV^3)        0.0903      0.0059        15.2449
0.0000
I(lnTV^4)      -0.0147      0.0017        -8.6435
0.0000
Residual  standard  error:  0.04337  on  27 degrees of freedom Multiple R-Squared: 0.993 F-statistic:  1921  on  2  and  27  degrees  of freedom, the p-value is 0

## Dengan menggunakan Matlab:
syms logTV clc; a = 2.1810;
b = 0.0903;
c = -0.0147;
LC = exp(a + b*logTV^3 + c*logTV^4); dLC = diff(LC); FV = exp(solve(dLC)); double(FV

## Isolator: keramik
Kondisi: temperatur 25ºC ; kelembaban 70-80%

## Dengan menggunakan SPSS :
Call:  lm(formula  =  lnLC  ~  lnTV  +  lnTV^6, data = PengolahanK257080, na.action = na.exclude)
Residuals: Min      1Q    Median      3Q     Max -0.04615 -0.0134 -0.003323 0.01624 0.06382
Coefficients: Value    Std.  Error    t  value Pr(>|t|) (Intercept)    0.1591      0.0202          7.8880
0.0000 lnTV                  0.9248      0.0107        86.1133
0.0000
I(lnTV^6)      -0.0001      0.0000        -6.2486 0.0000
Residual  standard  error:  0.02854  on  27 degrees of freedom Multiple R-Squared: 0.9986 F-statistic:  9768  on  2  and  27  degrees  of freedom, the p-value is 0
Dengan menggunakan Matlab:
syms logTV clc; a = 0.1591; b = 0.9248; c = -0.0001; LC = exp(a + b*logTV + c*logTV^6); dIbocor = diff(LC); FV = exp(solve(dLC)); double(FV)
Isolator: resin epoksi Kondisi: temperatur 35ºC ; kelembaban 50-60% Dengan menggunakan SPSS :
Call:  lm(formula  =  lnLC  ~  lnTV  +  lnTV^6, data = PengolahanD355060, na.action = na.exclude) Residuals: Min       1Q    Median     3Q     Max -0.0639 -0.01503 -0.005401 0.0185 0.08715
Coefficients:
Value    Std.  Error    t  value Pr(>|t|)
(Intercept)    0.8828      0.0233        37.8505 0.0000 lnTV                  0.9992      0.0124        71.1382 0.0000 I(lnTV^6)      -0.0001      0.0000        -2.5974
0.0150
Residual  standard  error:  0.033  on  27 degrees of freedom
Multiple R-Squared: 0.9981
F-statistic:  7078  on  2  and  27  degrees  of freedom, the p-value is 0

## Dengan menggunakan Matlab:
syms logTV clc; a = 0.8828; b = 0.9992; c = -0.0001; LC = exp(a + b*logTV + c*logTV^6); dLC = diff(LC); FV = exp(solve(dLC)); double(FV)

## Isolator: resin epoksi
Kondisi: temperatur 25ºC ; kelembaban 85-98%
Call:  lm(formula  =  LC  ~  TV  +  TV^3,  data  = PengolahanB258598, na.action = na.exclude) Residuals:
Min      1Q  Median     3Q   Max -0.4151 -0.1874 -0.0355 0.1587 0.391
Coefficients: Value    Std.  Error    t  value Pr(>|t|)
(Intercept)    0.5526      0.1267          4.3605 0.0002
TV                      0.9481      0.0133        71.2497
0.0000
I(TV^3)          -0.0001      0.0000        -9.6149 0.0000
Residual  standard  error:  0.2471  on  27 degrees of freedom Multiple R-Squared: 0.9989 F-statistic:  12740  on  2  and  27  degrees  of freedom, the p-value is 0

## Dengan menggunakan Matlab:
syms TV clc; a = 0.5526;
b = 0.9481;
c = -0.0001;
LC = a + b*TV + c*TV^3; dLC = diff(LC); FV = solve(dLC); double(FV)
Keterangan:
TV : tegangan uji
LC : arus bocor
FV : tegangan lewat denyar
Berdasarkan  simulasi  ini,  didapatkan  bahwa  estimasi nilai  tegangan  lewat  denyar  per creepage  distance untuk  isolator  keramik  adalah  0,2  kV/mm  pada kelembaban rendah dan 0,15 kV/mm pada kelembaban  tinggi.  Estimasi  nilai  tegangan  lewat denyar  per creepage  distance untuk  isolator  resin epoksi  adalah  0,2  kV/mm  pada  kelembaban  rendah dan 0,14 pada kelembaban tinggi. Kedua nilai estimasi ini  tidak  jauh  berbeda  dengan  data  nilai  tegangan lewat denyar dari produsen kedua isolator ini.

## IV. KESIMPULAN
Setelah  karaketeristik  isolator  keramik  dan  resin epoksi  didapat,  hasil  pengukuran  arus  bocor  dan perkiraan  tegangan  lewat  denyar  dibandingkan. Berdasarkan analisis  data  yang  telah  dilakukan,  dapat disimpulkan  bahwa  isolator  keramik  lebih  cocok digunakan  untuk  Saluran  Udara  Tegangan  Menengah (SUTM)  di  daerah  dengan  kelembaban  udara  yang rendah.  Isolator  resin  epoksi  lebih  cocok  digunakan untuk Saluran Udara Tegangan Menengah (SUTM) di daerah dengan kelembaban udara yang tinggi.

## UCAPAN TERIMA KASIH
(ACKNOWLEDGEMENT)
Ucapan  terima  kasih  ditujukan  kepada  Kepala Laboratorium  Teknik  Tegangan  Tinggi,  Institut Teknologi  Bandung  yang  telah  mengizinkan  untuk menggunakan beberapa alat uji.

## References
Journal:
[1] Ali  N.  Jahromi,  A  Neural  Network  Based  Method  for Leakage  Current  Prediction  of  Polymeric  Insulators. IEEE Transactions on Power Delivery. 2007.
[2] Ayman  H  El-Hag.  Fundamental  and  Low  Frequency Harmonic  Components  of  Leakage  Current  as  a  Diagnostic Tool. IEEE  Transactions  on  Dielectrics  and  Electrical Insulation . 2003.
[3] Chou,  Chih-Ju.  Distribution  of  Earth  Leakage  Currents  in Railway  Systems  with  Drain  Auto-Transformers. IEEE Transactions on Power Delivery . 2006.
[4] Devendranath,  D.  Leakage  Current  and  Charge  in  RTV Coated  Insulators  Under  Pollution  Conditions. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2002.
[5] Masahisa  Otsubo.  Evaluation  of  Insulation  Performance  of Polymeric  Surface  using  a  Novel  Separation  Technique  of Leakage  Current. IEEE  Transactions  on  Dielectrics  and Electrical Insulation . 2006.
[6] M.A.M.  Piah.  Modeling Leakage  Current and Electric  Field Behavior of Wet Contaminated Insulators. IEEE Transactions on Power Delivery. 2002.
[7] Suwarno. Leakage Current  Waveforms of Outdoor Polymeric  Insulators  and  Possibility  of  Application  for Diagnostics  of  Insulator  Conditions. Journal  of  Electrical Engineering  &  Technology .  2006;  Vol.  1,  No.  1,  pp. 114~119.
[8] Tomotaka  Suda.  Frequency  Characteristics  of  Leakage Current  Waveforms  of  a  String  of  Suspension  Insulators. IEEE Transactions on Power Delivery. 2005.
[9] Yong-Kwan Park. Leakage Current Monitoring and Outdoor Degradation  of  Silicone  Rubber. IEEE  Transactions  on Dielectrics and Electrical Insulation. 2001.
Texbooks:
[1] L.  Tobing,  Bonggas.  High  Voltage  Equipment.  Jakarta  :  PT. Gramedia Pustaka Utama. 2003.
[2] Sopyan, Iis. Polymeric Chemistry. Jakarta : Pradnya Pramita. 2001.
[3] Vosloo,  Wallace  L.  The  Practical  Guide  to  Outdoor  High Voltage Insulators. London : Crown Publications. 2004.
Thesis/Disertation:
[1] A.  Andang.  The  Effect  of  Silicon  Layer  Thickness  and Viscosity  at  Post  Pin  20  kV  Ceramics  Insulator  Performance in  Various  Environment  Conditions . Thesis.  Bandung,  ITB; 2006.
[2] D.  Permanasari,  Leakage  Current  Characteristics  at  20  kV Ethylene Propylene Outdoor Insulator in Various Environment Conditions. Final Project. Bandung, ITB; 2002.
[3] Juniko  Parlinggoman  Parhusip,  Performance  of  Ceramics Insulation  Material  as  High  Voltage  Insulator  in  Various Environment Conditions. Final Project. Bandung, ITB; 2006.
[4] Melda Latief. Performance of Epoxy Resin as 20 kV Outdoor in some Environment Condition. Thesis. Bandung, ITB; 2006.
[5] Sigit  Kusumawan  Ardianto.  Performance  of  Epoxy  Resin Insulation  Material  as  High  Voltage  Insulator  in  Various Environment Conditions. Final Project. Bandung, ITB; 2006.