## ANALISA MEDAN LISTRIK PADA ISOLATOR SUSPENSION DENGAN BERBAGAI TINGKAT KONTAMINASI BUATAN

## Engla Harda Arya
Program Studi Teknik Elektro Sekolah Tinggi Teknologi Pekanbaru Jln. Dirgantara No 4 Arengka Raya Pekanbaru
Corresponding authors : eng_harda@yahoo.com

## Abstrak
Penelitian  ini  menghitung  besarnya  medan  listrik  pada  isolator  keramik  jenis  suspension  pada  kondisi  bersih  dan kondisi  terkontaminasi.  Perhitungan  ini  dilakukan  karena  isolator  merupakan  bagian  penting  dalam  transmisi  dan distribusi daya listrik. Isolator diperlukan untuk mengisolasi bagian bertegangan dengan bagian netral atau tanah serta sebagai pendukung mekanis. Medan listrik sangat menentukan terjadinya korona yang dapat mengakibatkan kegagalan kerja  isolator.  Untuk  mendapatkan  kontaminan  disimulasikan  dengan  metode  pembentukan mesh ( Finite  Element Method )  aplikasi  program  flexPDE.  Yaitu  dengan  memodelkan  geometri  permukaan  isolator.  Secara  garis  besar  jenis pengotor dibagi dua yaitu soluble (dapat larut) dan nonsoluble (tidak dapat larut). Untuk mendapatkan nilai distribusi medan listrik dilakukan simulasi tingkatan kontaminan larutan garam dan kaolin  berkonsentrasi 6 mS, 12 mS dan 24 mS  dengan  aplikasi  FlexPDE.  Dari  analisis  yang  dilakukan  pada  isolator  suspension,  didapatkan  kesimpulan  dengan kontaminasi  6  mS  medan  listriknya  sebesar  3.9  kV/cm,  kontaminasi  12  mS  medan  listriknya  sebesar  4.5  kV/cm, kontaminasi 24 mS medan listriknya sebesar  5.8 kV/cm.
Kata kunci : medan listrik, finite element method

## PENDAHULUAN
Isolator merupakan bagian penting dalam transmisi  dan  distribusi  daya  listrik.  Isolator diperlukan  untuk  mengisolasi  bagian  bertegangan dengan  bagian  netral  atau  tanah  serta  sebagai pendukung  mekanis.  Dalam  kenyataan  sering terjadi  kegagalan  sistem  sebagai  akibat  dari kegagalan  isolator.  Salah  satu  faktor  yang mempengaruhi  proses  kegagalan  isolator  adalah pengotoran  pada  permukaan  isolator.  Gangguan pada  saluran  transmisi  antara  lain impuls petir, switching dan ligthing .  Fenomena flashover yang disebabkan pengotoran isolator menempati persentasi terbesar diantara setiap jenis permasalahan polusi di bidang kelistrikan. Dengan bertambahnya  tegangan  saluran  transmisi,  maka penelitian  terhadap  fenomena  pengotoran  isolator pun  semakin  meningkat.  Kinerja  pengotoran– pengotoran  isolator  menjadi  factor  penuntun dalam  rangka  koordinasi  isolasi  pada  saluran transmisi.
Secara  umum  tujuan  penggunaan  isolator pasang  luar  adalah,  sebagai  berikut    ( Berahim, Hamzah.  2000.  Pengaruh  Polutan  terhadap Kinerja  Bahan  Isolasi  Epoksi  Resin  untuk Isolator ): a. Sebagai  penyangga  atau  penyokong penghantar saluran udara. Untuk
keperluan  ini  hal  yang  paling  penting yang  harus  diperhatikan  dalam      isolator adalah  kekuatan  mekanisnya.  Isolator yang  dipakai  harus  mampu  menahan beban  mekanis  dari saluran  udara, seperti gaya  berat  dari  massa  penghantar  serta gaya–gaya lainnya yang dapat diakibatkan karena angin.
b. Untuk  memisahkan  secara  elektrik  antara penghantar dan penyangganya. Hal terpenting yang harus diperhatikan adalah kekuatan  isolasinya,  yaitu  harus  mampu menahan  beban  elektris  pada  keadaan normal  (tegangan  kerja)  sehingga  tidak terjadi  kebocoran  arus  maupun  dalam keadaan  gangguan  (akibat  petir,  hubung singkat,  dan  sebagainya),  sehingga  tidak terjadi  lewat  denyar  ( flashover )  maupun sparkover .
Pada  penggunaan  sehari-harinya  isolator tentu akan menimbulkan medan listrik. Perubahan nilai medan listrik pada isolator dapat mempengaruhi  nilai  arus  bocor  (leakage  current) dan  tegangan  tembus  (breakdown).  Untuk menganalis  distribusi  medan  pada  isolator  akan
digunakan  metode  yang  bernama  FEM  (Finite
Element Method) (Saiful Azmi. 2011) . Penggunaan FEM (Finite Element Method)

## Isolator

## a. Isolator Keramik
Keramik  adalah  material  inorganik  yang dibuat  dengan  menggabungkan  berbagai  macam mineral  alam  menjadi  satu  kesatuan  material dalam suatu proses peleburan dengan temperature tinggi.  Keramik  yang  digunakansebagai  isolator adalah  keramik  dengan  permitivitas  rendah  (ε r < 12).
Sedangkan  keramik  dengan  permitivitas tinggi  (ε r > 12)  digunakan sebagai kapasitor. Jenis keramik  yang  biasa  dipakai  sebagai  bahan  isolasi dalam  system  ketenagalistrikan  adalah  keramik (K 2 O.Al 2 O 3 .6SiO 2 ),  steatit,  quartz  (SiO 2 )  dan alumina  (Al 2 O 3 ).  Keramik  dan  steatite  tidak bereaksi  terhadap  polutan  seperti  asam  dan alkali.Alumina  memiliki  kekuatan  mekanik  dan sifat  isolasi  yang  baik.  Isolator  keramik  memiliki komposisi  50%  tanah  liat  (Al 2 O 3 .2SiO 2 .2H 2 0), 25% silika, dan 25% porselen (K 2 O.Al 2 O 3 .6SiO 2 ).
Resistivitas volumenya berkisar 10 11 -10 13 , kekuatan  dielektriknya  2-12  kV/mm,  konstanta dielektrik sebesar 6 dan factor rugi-rugi 0,06. b. Isolator Polimer Polimer  berasal  dari  bahasa  Yunani polymer yang  berarti  “terdiri  dari  beberapa  bagian”. Berdasarkan  cara  pembuatannya,  polimer  dapat dibagi  menjadi  dua  jenis,  yaitu  thermoplastic dantermoset.  Salah  satu  contoh  polimer  yang dapat  digunakan  sebagai  bahan  dasar  isolator pasang luar dalam bidang ketenagalistrikan adalah resin epoksi. Resin epoksi termasuk jenis termoset ( Gorur,R.S.,  Cherney,  E.A.,  danBurnham,J.T. 1999. Outdoor Insulator ).
Perhitungan  medan  listrik  dan  distribusi potensial  listrik  dengan  persamaan  Maxwell bentuk  differensial  ( Iskander,  Magday  F.  1992. Electromagnetic Field and Wave ):
(2.1) (2.2) (2.3) (2.4)
Untuk  medan  listrik  dan  medan  magnet dibawah  Saluran  Udara  Tegangan  Extra  Tinggi
(SUTET),  pendekatan  yang  dilakukan  adalah pendekatan kuasi statik, sehingga:
(2.5) (2.6) (2.7) (2.8)
Dengan,
(2.9) (2.10)
Dengan  mensubsitusikan  (2.9)  kedalam persamaan (2.10) sehingga diperoleh:
(2.11) Persamaan  (2.11)  merupakan  persamaan Poisson, dan jika
maka akan diperoleh:
(2.12)
Persamaan  (2.12)  merupakan  persamaan Laplace.  Dengan  menggunakan  analogi,  untuk medan magnetik maka dipeloleh:
(2.13) (2.14)

## METODE PENELITIAN
Metode
yang digunakan untuk menganalisis nilai distribusi  medan pada studi ini adalah metode element hingga (FEM). Prinsip  dasar  dari  metode  elemen  hingga  adalah proses  diskretisasi.  Dalam  proses  diskretisasi, suatu  benda  atau  daerah  yang  dianalisis  dibagi kedalam  bentuk  mesh  (kumpulan  elemen)  yang saling  terhubung,  dan  kemudian  dimodelkan kedalam bentuk satu, dua atau tiga dimensi
Metode  yang  diguankan  adalah  dengan cara  memodelkan  islator  dengan  membaginya menjadi  berapa  nodes  dengan  menggunakan aplikasi sofware flexPDE. Isolator yang digunakan  adalah  isolator  keramik  milik  PLN yang  dipasang  pada  saluran  500  kV.  Dengan spesifikasi  teknis  isolator  suspension  uji  dapat dilihat pada Tabel 1 berikut :

## Tabel 1. Spesifikasi teknis isolator suspension uji
Beban gagal mekanis 160 Kn Diameter nominal maksimum 280 mm Spasi nominal 146 mm Jarak rambat nominal minimum 315 mm Kopling standar sesuai IEC 120 20 Tegangan ketahanan frekuarnsi kerja basah 45 kv Tegangan ketahanan impuls petir kering 110 kv Tegangan tembus minimum 130 kv
Tegangan  yang  diaplikasikan  adalah  tegangan kerja maksimum isolator dari fasa ke netral yaitu:
Sudut  phasa  pengamatan  adalah  0 o .  Pengaruh medan listrik dan medan magnet bumi  diabaikan. Pada  gambar  1  dapat  dilihat  dimensi  isoator suspension.
Gambar1.Dimensi isolator suspension
Gambar  isolator  tersebut  kemudian  dimodelkan dengan FEM pada software flexPDE. Model yang dihasilkan  memiliki  nodes  3669  dan  1798
element.  Hasil  pemodelan  isolator  dapat  dilihat pada gambar 2.
Gambar 2. Model isolator suspension keramik pada Finite Elemen Method
Pada  simulasi  untuk  kondisi  permukaan terkontaminasi, ditambahkan dengan menyesuaikan  permitivitas  relatif  konsentarasi kontaminan.  Dengan  variasi  konduktivitas  6  mS, 12mS dan 24 mS.

## HASIL SIMULASI
Pada  penelitian  ini,  isolator  yang  diuji  adalah isolator  jenis  suspension  bahan  keramik.  Dari hasil  simulasi  tingkat  kontaminasi  yang  berbeda, maka didapat hasil berikut :

## Isolator Suspension Bersih Tanpa Kontaminan
Simulasi  isolator  suspension  bersih  tanpa kontaminasi  buatan.  Nilai  tahanan  permukaan yang terukur pada isolator adalah sebesar 5 x 10 11 Ω  atau  0.5  MΩ.  Isolator  dalam  keadaaan  bersih memiliki  nilai  tahanan  permukaan  yang  konstan yaitu 5 x 10 11 Ω atau 0.5 MΩ pada setiap kenaikan tegangan. Hal ini dikarenakan kondisi permukaan yang  bersih  sehingga  tidak  ada  terjadi  perubahan atau  pengeringan  kontaminasi  pada  permukaan yang  dapat  mengakibatkan  perubahan  nilai tahanan permukaan isolator.
Gambar 3.a. Simulasi tegangan isolator suspension bersih
Gambar 3.b. Simulasi distribusi medan listrik isolator suspension bersih
Isolator  disimulasikan  dalam  kondisi bersih.  Medan  listrik  terbesar  pada  permukaan isolator terdapat didaerah dekat konduktor sebesar 4.3  kV/cm.  pada  permukaan  isolator  lainnya medan bervariasi pada nilai 0-3.7 kV/cm.
Dari  hasil  simulasi  gambar  3.b  dapat dilihat bahwa medan listrik terbesar terdapat pada isolator  yang  mengalami  distribusi  tegangan listrik terbesar.
Isolator Suspension kontaminasi Kaolin danNaCl 6 mS Simulasi  distribusi  medan  listrik  dan tegangan  listrik  pada  isolator  suspension  yang
diberikan  kontaminasi  larutan  Kaolin  dan  NaCl pada permukaannya dengan konduktivitas 6 mS.
Gambar 4.a. Simulasi tegangan  isolator suspension kontaminan 6 mS Pada isolator suspension dengan kontaminaan  6  mS  tegangan  maksimal  yang  bisa diberikan pada isolator adalah sebesar 60 kV. Dari gambar simulasi  4.a dapat dilihat bahawa medan
listrikterbesar berada pada bagian pin (bertegangan  isolator  dan  medan  listrik  terkecil berada pada bagian permukaan isolator).
Gambar 4.b. Simulasi distribusi medan listrik isolator suspension kontaminan 6 mS
Dari gambar 4.b simulasi distribusi medan listriktegangan  maksimal  isolator  suspension kontaminan  6  mS  dapat  dilihat  bahwa  distribusi medan  listrik  sebesar  3.9  kV/cm  pada  bagian  I yaitu  bagian  pin  isolator.  Sedangkan  bagian terendah terjadi pada bagian ujung isolator.
Isolator Suspension kontaminasi Kaolin danNaCl 12 mS.
Simulasi distribusi medan listrik dan tegangan listrik  pada  isolator  suspension  yang  diberikan kontaminasi  larutan  Kaolin  dan  NaCl  pada permukaannya dengan konduktivitas 12 mS.
Gambar 5.a. Simulasi tegangan  isolator suspension kontaminan 12 mS
Pada isolator
suspension dengan kontaminaan 12 mS tegangan maksimal yang bisa diberikan  pada  isolator  adalah  sebesar  27.6    kV
Gambar 5.b. Simulasi distribusi medan listrik isolator suspension kontaminan 12 mS
Dari  simulasi  gambar  5.b.  dapat  dilihat distribusi  medan  listrik  maksimal  sebesar  4.5 kV/cm.  Makin  besar  tegangan  yang  diberikan pada isolator  maka  medan  listrik juga  mengalami peningkatan.
Isolator Suspension kontaminasi Kaolin danNaCl 24 mS Pada isolator suspension yang dikontaminasi  oleh  larutan  Kaolin  dan  NaCl dengan konduktivitas larutan 24 mS.
Gambar 6.a. Simulasi tegangan  isolator suspension kontaminan 24 mS
Pada isolator suspension dengan kontaminaan 12 mS tegangan maksimal yang bisa diberikan  pada  isolator  adalah  sebesar  27.5    kV.
Gambar  6.b. Simulasi distribusi medan listrik isolator suspension kontaminan 24 mS
Medan  listrik  terbesar  terdapat pada  daerah  dekat konduktor  yaitu  sebesar  5.8  kV/cm.  Pada permukaan isolator lainnya medan bervariasi pada nilai 0 – 3.8 kV/cm.

## KESIMPULAN DAN SARAN
Berdasarkan  hasil  simulasi  yang  dilakukan,  dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Berdasarkan hasil simulasi pada isolator jenis suspension nilai medan listrik pada kontaminasi  6  mS  adalah  3.9  kV/cm, kontaminasi  12  mS  medan  listriknya  sebesar 4.5  kV/cm,  kontaminasi  24  mS  medan listriknya  sebesar    5.8  kV/cm.  Dengan
demikian,  semakin  besar  konsentrasi polutan maka  medan  listrik  pada  pemukaan    isolator semakin besar.
2. Medan  listrik  terbesar  terdapat  bagian  yang dekat  dengan  konduktor.  Untuk  isolator dengan kontaminasi 6 mS medan listrik pada bagian  dekat  konduktor  sebesar  3.9  kV/cm, pada  permukaan  isolator    sebesar  0  –  3.7 kV/cm.  Untuk  isolator  dengan  kontaminasi 12  mS  medan  listrik  pada  bagian  dekat konduktor sebesar 4.5 kV/cm, pada permukaan  isolator    sebesar  0  –  4  kV/cm. Untuk  isolator  dengan  kontaminasi  24  mS medan  listrik  pada  bagian  dekat  konduktor sebesar  5.8  kV/cm,  pada  permukaan  isolator sebesar 0 – 5 kV/cm.
3. Dari hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa medan  terbesar  terdapat  pada  bagian  dekat konduktor  kemudian  semakin  kecil  pada bagian  ujung  isolator.  Sedangkan  medan listrik  dipengaruhi  oleh  besarnya  tingkat kontmainasi pada permukaan isolator. Makin besar  kontaminasi  maka  semakin  besar medan listrik pada permukaan isolator.
Setelah  melakukan  simulasi,  maka  disarankan kepada  penguji  berikutnya  tentang  beberapa  hal, yaitu :
1. SimulasiFlexPDE  sangat  baik  digunakan untuk  simulasi  perhitungan  medan  listrik. Untukhasil  yang  lebih  baik,  model  isolator dibuat semirip mungkin.
2. Sebelum  melakukan  simulasi  menggunakan software  FlexPDE,  harus  diketahui  telebih dahulu  parameter  –  parameter  mengenai bahan yang diujikan.

## DAFTAR ACUAN
Berahim,  Hamzah.  2000.  Pengaruh  Polutan terhadap  Kinerja  Bahan  Isolasi  Epoksi Resin untuk Isolator. Seminar Nasional dan Workshop Tegangan Tinggi III.
Besztercey,  Gyula  and  Karady,  Georgee  G.2000. An  Artifal  Contamination  Method  for Composite  Insulation,  Transactions  on Power Delivery. Vol 15 No 2.
B  Marungsri,  W.  Onchantuek,  and  A.  Oonsivilai. 2009. Electric Field and Potential
Distributions  along  Surface  of  Silicone Rubber  Polymer  Insulators  Using  Finite Element  Method,  International  Journal  of Electrical and Electronics Engineering. Gorur,R.S.,  Cherney,  E.A.,  danBurnham,J.T. 1999. Outdoor Insulator, Ravi S Gorur, Inc. Hayt,  W.H.  1981.  Engineering  Electromagnetics.
Mc Grow Hill, International Book
Company, Edisi 3, Erlangga, Jakarta.
Iskander, Magday F. 1992. Electromagnetic Field and Wave. Waveland Press, Illinois.
Izumi,  Kunikazu  and  Kadotami,  Kenzo.  1999.
Application of Polymeric Outdoors Insulation  in  Japan,  IEE  Transactions  of
Dielectric  and  Electrical  Insulation.  Vol  6
No 5.
Jin, Jianming. 2002.  The Finite Element Method in  Electromagnetics.  John  Wiley  &  Sons, Inc. Kim,S.H.,  Cherney,  E.A.,  danHackam,  R.1992. Hydrophobic Behaviour of Insulator
CoATED with RTV Silicone Rubber. IEEE
Transactions on Electrical Insulation, Vol.27 No.3, 610 – 622.
Kuntman,  AytendanErsoy,  Aysel.  3D  Model  of Artificial  Surface  Degradation  Test  Using Finite  Element  Model.  The  Online  Journal on Power and Energy Engineering (OJPEE) Vol. 1 – No. 1.
Liang Chi Shen and Jim Au Kon.1995. Applikasi Elektromagnetik.  Jilid  kedua.  Edisi  3, Erlangga Jakarta.
Que,  WeiquodanSebo.  A.  Stephen  :Electric  Field and  Potential  Distributions  along  Non- Ceramic  Insulators  with  Water  Droplets, Department  of  Electrical  Engineering  The Ohio State University.
Sundararajan,  R  .danGorur,  R.S.  1993.  Dynamic Arc  Modeling  of  pollution  flashover  of inslator under DC Voltage. IEEE
Transactions  on  Electrical  Insulation,  Vol 28 Issue 2, 209 – 218.
SPLN 10-1A. 1996. Isolator RentengJenisKapdan
Pin,  DepartemenPertambangandanEnergi  - Perusahaan UmumListrik Negara, 1.
Vitkovitchi, D. 1966. Field Analysis Experimental and Computational Methods. Van Nostrand Company Ltd.
Saiful  Azmi.  2011.  Penggunaan  FEM  (Finite Element Method) Dalam Memetakan
Medan  Listrik  pada  Permukaan  Isolator Jenis  Pin  dan  Post  20KV  dan  Udara Disekitarnya. Universitas Diponegoro, Semarang.
Yusrizal  Afif.  2014.  Analisis  Distribusi  Medan
Listrik  Pada  Isolator  Gantung  Bahan Polimer  Menggunakan  Finite  Element Method. Institut Teknologi Sepuluh November.