1 Dosen,  Departemen Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, Universitas Gadjah Mada,  Yogyakarta,  55281  (tlp:  0274- 6492599; e-mail: mochammadwahyudi@ugm.ac.id)
2 Peneliti,  Laboratorium Tegangan Tinggi, Departemen Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 60111
3 Peneliti,  Pusat Unggulan Iptek Perguruan Tinggi –  Sistem Kontrol Otomotif  (PUI SKO), Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 60111 (e-mail: anton@ee.its.ac.id)
4 Dosen, Departemen Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember,  Surabaya, 60111  (telp:  031-5994251-54; e-mail: yulistya@ee.its.ac.id)

## Evaluasi Degradasi Isolasi Motor akibat Multi-factor Aging berdasarkan Indeks Polarisasi dan SEM-EDX
Mochammad Wahyudi 1,2 , Dimas Anton Asfani 2,3,4 , I Made Yulistya Negara 2,4 , Daniar Fahmi 2,4 , I Gusti Ngurah Satriyadi Hernanda 2,4
Abstract—The operation of induction motor affected by stress factor causes insulation degradation. This  degradation can be observed from changes in insulation  characteristics, including electrical, physical, and  chemical.  This study aimed  to evaluate the insulation resistance (IR)  and polarization index  (PI)  since the induction motor condition  was good until  burned out. Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (SEM-EDX) testing was also carried out to analyze changes in microstructure, morphological characteristics, and chemical composition in  stator windings. In addition, X-ray powder diffraction  (XRD)  testing  was  presented  to validate that the damaged insulation  was  caused by the given stress. To accelerate degradation  of insulation, induction motor  in service condition  was  subjected  by  a lot of pressure simultaneously, including thermal, moisture, and salt contamination. The accelerated aging testing  was  gradually  conducted  according to three schemes with different pressure levels. The results showed that the applied stresses could accelerate the insulation aging. A significant decrease of  IR and PI values was  found in the  third scheme, as the IR value wa s less than 5 MΩ and the P I value was 0.6  (danger category).  The insulation failure was  achieved at a total duration of testing for 222 hours. The results of SEM-EDX and XRD testing showed the presence of mineral deposits from water vapor, salt contaminants, cracks, and fracture  on the insulation surface.
Intisari— Pengoperasian motor induksi yang dipengaruhi oleh faktor tekanan dapat menyebabkan degradasi isolasi. Degradasi tersebut dapat diamati dari perubahan karakteristik  isolasi, meliputi  elektris, fisik, dan kimiawi.  Makalah  ini bertujuan untuk  mengevaluasi  nilai tahanan isolasi dan indeks  polarisasi sejak kondisi motor induksi baik hingga rusak. Pengujian SEM- EDX juga dilakukan untuk menganalisis perubahan mikrostruktur,  karakteristik morfologi, dan komposisi kimia pada isolasi  belitan motor. Di samping itu, pengujian XRD dilakukan untuk memvalidasi  bahwa kerusakan isolasi disebabkan oleh tekanan yang diberikan.  Untuk mempercepat degradasi isolasi, motor induksi dalam kondisi beroperasi diberikan banyak tekanan secara simultan, meliputi termal (karena beban lebih), kelembapan, dan kontaminasi garam (sebagai partikel konduktif). Pengujian dilakukan secara
bertahap menurut  tiga skema  dengan tingkat tekanan yang berbeda-beda. Hasil menunjukkan bahwa pemberian tekanan secara simultan mampu mempercepat umur isolasi. Penurunan nilai IR dan PI yang signifikan ditemui pada pengujian skema 3, sebagaimana nilai IR k urang dari 5 MΩ dan nilai PI sebesar 0,6 (kategori berbahaya). Kegagalan isolasi tercapai pada total durasi pengujian selama 222 jam.  Hasil pengujian SEM-EDX dan XRD menunjukkan adanya endapan mineral dari uap air, kontaminan garam, retakan, dan patahan  pada permukaan isolasi.
Kata Kunci—Indeks polarisasi (PI), degradasi isolasi motor, SEM-EDX, tahanan isolasi (IR), XRD.

## I. P ENDAHULUAN
Isolasi  merupakan  komponen yang berperan vital  terhadap keamanan  operasi  motor induksi  sebagaimana  kegagalan isolasi adalah faktor penyebab kerusakan yang tertinggi kedua [1]. Tanpa isolasi, konduktor tembaga akan mengalami kontak dengan konduktor lain atau inti stator. Isolasi juga berfungsi sebagai penghantar panas, sehingga konduktor tembaga tidak mengalami overheating . Selain itu, isolasi harus mampu mempertahankan kedudukan konduktor dari pergerakan yang tidak diinginkan akibat gaya magnetik yang timbul ketika motor dalam kondisi starting atau operasi normal.
Pada dasarnya, kemampuan isolasi akan mengalami penurunan  secara  perlahan-lahan  akibat penuaan. Namun, degradasi  isolasi akan menjadi lebih cepat akibat tekanan ( stress ), seperti termal, elektris, mekanis, dan lingkungan [2]. Keempat  jenis  tekanan tersebut memberikan dampak yang berbeda-beda terhadap isolasi [3], [4]. Temperatur tinggi akan menimbulkan reaksi oksidasi yang berujung pada isolasi yang mudah  rapuh  ( brittle ), retak  ( crack ), dan terkelupas  ( peeled off ). Lembap  atau minyak yang dikombinasikan dengan debu atau kotoran dapat membentuk sekumpulan partikel konduktif pada permukaan isolasi.  Belitan yang terkontaminasi juga memicu reaksi kimia dan electrical tracking pada isolasi. Electrical tracking memungkinkan arus listrik untuk mengalir di sepanjang permukaan isolasi, terutama pada bagian end- winding (belitan  di luar slot ). Pada akhirnya, arus tersebut menyebabkan kegagalan isolasi groundwall .
Selama beberapa dekade terakhir, metode pengukuran tahanan isolasi ( insulation resistance , IR) digunakan  untuk mengetahui kondisi isolasi motor induksi [3] ˗ [14]. Pengukuran IR dipilih karena merupakan metode yang aman, mudah,  dan sederhana.  Dari hasil pengukuran tersebut,  nilai indeks polarisasi ( polarization index , PI)  dapat diperoleh, yaitu rasio tahanan isolasi saat 10 menit dan 1 menit. Selanjutnya, nilai PI digunakan sebagai acuan dalam menilai tingkat kelayakan isolasi.
Karakteristik nilai IR dan PI pada isolasi yang dipengaruhi oleh  tekanan telah diteliti  [4],  [10] ˗ [11]. Secara umum, karakteristik kedua nilai tersebut akan bergantung  pada  jenis tekanan  dan tingkat degradasi isolasi.  Akan tetapi, karakteristik  nilai IR dan PI pada isolasi  motor induksi sejak kondisi baik hingga rusak (terjadi hubung singkat) belum diselidiki.  Dengan mengetahui karakteristik tersebut, efek tekanan terhadap  laju  degradasi isolasi dan  mekanisme kegagalan isolasi dapat dipahami  secara lebih detail. Selanjutnya,  pemahaman ini akan menunjang tindakan pemeliharaan isolasi, tidak hanya secara preventif, tetapi juga secara prediktif.
Pada makalah ini, pengujian akselerasi umur isolasi karena termal, kelembapan, dan kontaminasi dilakukan pada motor induksi. Analisis degradasi isolasi dilakukan berdasarkan nilai tahanan (IR dan PI), kondisi fisik ( Scanning Electron Microscope, SEM), dan komposisi kimia ( Energy Dispersive X-ray , SEM-EDX dan X-Ray Diffraction , XRD).  Melalui pengujian SEM-EDX dan XRD, fenomena fisik dan kimiawi yang terjadi ketika isolasi bernilai IR dan PI tertentu juga dapat diketahui.
Berbeda dengan [4], [9] ˗ [11],  [15], pemberian banyak tekanan pada makalah  ini dilakukan secara simultan dan motor induksi dalam kondisi beroperasi dan berbeban. Skema pengujian tersebut akan lebih menyerupai kondisi riil di lapangan. Dalam hal ini, tekanan termal akibat beban lebih atau sistem pendingin (sirkulasi udara) yang gagal dan tekanan lingkungan akibat  kelembapan dan kontaminan  di lokasi  pengoperasian motor dapat terjadi dalam waktu yang bersamaan. Di samping itu, makalah  ini bertujuan untuk menjelaskan metode pengukuran IR dan PI berdasarkan IEEE Std.  43-2013  karena penelitian-penelitian sebelumnya masih mengacu pada standar versi lama [3] ˗ [10], [12].

## II. M ETODE T AHANAN I SOLASI DAN I NDEKS P OLARISASI
B ERDASARKAN IEEE S TD . 43-2013

## A. Tahanan Isolasi (IR)
IR merupakan ukuran konduktivitas suatu isolasi. Besar IR dirumuskan sebagai hasil bagi antara tegangan DC yang diberikan dengan arus yang melewati isolasi dan diambil pada waktu tertentu sejak  tegangan DC tersebut diberikan. Pemberian tegangan uji biasanya 1 menit ( IR 1 ) atau 10 menit ( IR 10 ).  Besar tegangan uji yang direkomendasikan  oleh IEEE Std.  43-2013  ditunjukkan pada Tabel I, sedangkan besar tahanan minimum untuk 1 menit pengukuran  ditunjukkan pada Tabel II.  Rekomendasi  tersebut  berlaku untuk belitan medan dan jangkar dari mesin elektromekanis dengan rating 750 watt (1 hp) atau lebih. Besar tegangan (kV) pada Tabel II merupakan tegangan antar fase ( line to line ) dari rating belitan motor.
Tahanan  isolasi yang terukur biasanya meningkat pesat ketika tegangan DC pertama kali diberikan. Selanjutnya, besar tahanan akan mendekati nilai yang relatif stabil seiring waktu pengujian. Akan tetapi, pembacaan tahanan isolasi dari belitan yang kering dan kondisi baik  dapat memiliki nilai  yang terus meningkat selama berjam-jam seiring dengan pemberian tegangan DC.
T ABEL I B ESAR T EGANGAN U JI YANG D IREKOMENDASIKAN [4]
Rating Tegangan Belitan (V) Tegangan Uji DC (V) < 1.000 500 1.000-2.500 500-1.000 2.501-5.000 1.000-2.500 5.001-12.000 2.500-5.000 >12.000 5.000-10.000
T ABEL II B ESAR T EGANGAN U JI YANG D IREKOMENDASIKAN [4] Nilai IR
Minimum (MΩ)
Isolasi Belitan yang Diuji
𝐼𝐼𝐼𝐼 1 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝑘𝑘𝑘𝑘 + 1 Untuk sebagian besar jenis belitan yang dibuat sebelum tahun 1970 dan semua jenis belitan medan.
𝐼𝐼𝐼𝐼 1 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 100
Untuk sebagian besar belitan jangkar mesin DC dan belitan mesin AC yang dibuat setelah tahun 1970 (jenis stator form-wound coils )
𝐼𝐼𝐼𝐼 1 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 5 Untuk sebagian besar mesin dengan jenis stator random-wound dan form-wound kurang dari 1 kV
Untuk jenis belitan tua, nilai tahanan isolasi yang cukup stabil dicapai dalam waktu 10 hingga 15 menit. Untuk jenis belitan modern, seperti epoxy-mica dan polyester-mica , waktu yang dibutuhkan untuk mencapai nilai yang cukup stabil adalah 4 menit atau kurang. Untuk belitan yang basah atau kotor, nilai stabil yang rendah dapat dicapai dalam waktu 1 hingga 2 menit setelah tegangan DC diberikan.
Dalam kasus lainnya, nilai tahanan isolasi dapat sedikit menurun seiring pemberian tegangan DC. Penurunan nilai tahanan secara signifikan seiring dengan pemberian tegangan uji mengindikasikan adanya masalah pada isolasi. Permasa- lahan tersebut dapat disebabkan oleh ketidaksempurnaan (imperfection) atau keretakan (fracture) pada isolasi yang diperburuk oleh kelembapan atau kontaminasi.

## B. Indeks Polarisasi (PI)
Pada umumnya, PI  diperoleh dengan membandingkan IR pada waktu 10 menit ( IR 10 ) dengan 1 menit ( IR 1 ),  seperti dalam (1). Dalam hal ini, PI mengindikasikan kemiringan dari kurva  IR  terhadap durasi penerapan tegangan DC.  Untuk mendapatkan nilai akurasi PI yang lebih baik, pengukuran dapat dilakukan dengan pembacaan menurut interval-interval tertentu, seperti 15 detik, 30 detik, 45 detik, 1 menit, 2 menit, 3 menit, 4 menit, hingga 10 menit.
Sama halnya dengan IR, PI memiliki nilai minimum yang direkomendasikan menurut IEEE Std.  43-2013, seperti ditunjukkan pada Tabel III dan Tabel  IV.  Untuk mesin elektromekanis dengan rating 10.000  kVA atau kurang, pengoperasian atau pengujian tegangan lebih dapat diperbolehkan hanya jika salah satu hasil pengukuran IR 1 atau PI berada di atas nilai minimum, sedangkan untuk mesin dengan rating di atas 10.000 kVA,  nilai keduanya harus berada di atas nilai minimum yang direkomendasikan.
Dengan hasil pembacaan IR  atau PI yang rendah,  maka penyelidikan  secara fisik terhadap kondisi isolasi perlu dilakukan. Penurunan yang signifikan pada pengukuran IR
dan PI dibandingkan dengan pembacaan sebelumnya mengindikasikan bahwa permukaan isolasi belitan terkena kontaminasi, lembap, atau beberapa kerusakan isolasi, seperti retakan.  Apabila hasil pengukuran bernilai rendah karena kotoran atau lembap yang berlebihan, upaya pembersihan dan pengeringan dapat dilakukan untuk mengembalikan nilai yang dapat diterima.
T ABEL III D EFINISI N ILAI PI YANG T ERUKUR [8] Nilai PI Kondisi Isolasi < 1.0 Sangat Buruk (Berbahaya) 1,0 - 2,0 Buruk 2,0 - 4,0 Baik > 4,0 Sangat Baik T ABEL IV N ILAI PI M INIMUM MENURUT K ELAS T ERMAL I SOLASI [4] Rating Kelas Termal Isolasi Nilai Minimum PI Kelas A 1,5 Kelas B 2,0 Kelas F 2,0 Kelas H 2,0
Pada pengukuran tahanan isolasi ( IR 1 yang telah dikoreksi terhadap temperatur 40 o C) dapat ditemui hasil yang lebih besar dari 5. 000 MΩ. Apabila kondisi tersebut terjadi ,  maka nilai PI yang diperoleh tidak dapat digunakan sebagai acuan dalam  penilaian  kelayakan  isolasi. Hal ini disebabkan oleh arus resultan yang terukur berada dalam kisaran submicroampere .  Pada tingkatan ini, sensivitas instrumen pengukuran, sedikit perubahan pada sumber tegangan uji, pengaruh kelembapan lingkungan, sambungan-sambungan dalam pengukuran, dan komponen-komponen lain yang tak berhubungan dapat memberikan pengaruh yang besar terhadap arus resultan yang terukur.

## C. Prosedur Pengukuran
Pengukuran  IR  dan  PI  mengacu pada  IEEE Std. 43-2013. Hubungan wye (Y) pada terminal stator motor dilepaskan. Pengukuran  IR  yang dilakukan adalah fase  terhadap ground . Lead fase  (berwarna merah) dari megger dihubungkan ke salah satu fase  belitan stator, sedangkan lead ground (berwarna hitam) dihubungkan ke bodi motor yang telah diketanahkan ( grounding ).  Megger diatur pada tegangan uji 500 V yang telah disesuaikan dengan rating tegangan belitan motor. Penerapan tegangan DC pada belitan dilakukan selama 10 menit untuk mendapatkan nilai PI.  Dalam pengujian ini, megger yang digunakan memiliki rating tahanan isolasi 4 GΩ. Pada saat pengukuran, pencatatan terhadap temperatur belitan perlu dilakukan. Selain itu, pencatatan tahanan isolasi pada interval waktu tertentu hingga durasi pemberian tegangan uji mencapai 10 menit perlu dilakukan untuk mendapatkan hasil pengukuran dengan tingkat akurasi yang lebih baik.
Setelah durasi pemberian tegangan DC mencapai 10 menit, megger dimatikan dan  kedua lead dilepaskan dari motor. Pengosongan muatan pada fase  belitan yang diuji perlu dilakukan dengan cara menghubungsingkatkan titik
pengukuran belitan dengan ground .  Pengukuran tahanan isolasi dilanjutkan terhadap fase  lainnya dengan prosedur yang sama. Hal ini berguna dalam mengetahui kondisi isolasi dari masing-masing fase.
Gbr. 1 Alur penelitian secara umum.
Untuk membandingkan hasil dari banyak pengukuran, maka besar IR dari setiap pengukuran perlu diberikan koreksi terhadap temperatur dasar 40 o C,  seperti dalam (1). Hal ini disebabkan oleh temperatur belitan yang dapat berbeda-beda dalam setiap pengukuran dan tidak memungkinkan untuk dikontrol.
𝐼𝐼 𝐶𝐶 = 𝐾𝐾 𝑇𝑇 . 𝐼𝐼 𝑇𝑇 (1)
dengan 𝐼𝐼 𝐶𝐶 = tahanan isolasi ( MΩ ) yang dikoreksi pada 40 o C, 𝐾𝐾 𝑇𝑇 = koefisien tahanan isolasi pada T o C, dan 𝐼𝐼 𝑇𝑇 = tahanan isolasi yang terukur ( MΩ ) pada T o C.
Pada  (1) perlu didefinisikan nilai 𝐾𝐾 𝑇𝑇 untuk mendapatkan tahanan isolasi yang dikoreksi terhadap temperatur dasar 40 o C. Rumus penghitungan faktor koreksi 𝐾𝐾 𝑇𝑇 ditentukan berdasarkan  material isolasi yang digunakan. Berdasarkan rekomendasi IEEE Std. 43-2013, secara umum material isolasi dapat dikelompokkan menjadi dua macam, yaitu thermoplastic dan thermosetting . Material isolasi jenis thermoplastic mencakup isolasi yang terbuat sebelum tahun 1960, seperti asphaltic , sedangkan thermosetting mencakup isolasi yang terbuat setelah tahun 1960, seperti epoxy dan polyester . Faktor 𝐾𝐾 𝑇𝑇 untuk material isolasi jenis thermosetting dirumuskan sebagai berikut [4].
𝐾𝐾 𝑇𝑇 = exp �− 4.320 � 1 ( 𝑇𝑇+273 ) − 1 313 �� (2)
dengan 𝑇𝑇 = temperatur belitan saat pengukuran tahanan isolasi ( o C).

## III. S KEMA P ENGUJIAN A KSELERASI I SOLASI M OTOR I NDUKSI K ARENA T ERMAL , K ELEMBAPAN , DAN K ONTAMINASI SECARA S IMULTAN
Alur  penelitian  secara umum ditunjukkan  pada Gbr. 1. Prinsip dasar pengujian akselerasi penuaan isolasi adalah tekanan diberikan dalam tingkat yang lebih tinggi daripada kondisi idealnya [2]. Semakin tinggi tekanan,  semakin cepat penuaan isolasi. Untuk mencapai kriteria tersebut, pengujian isolasi dilakukan menurut skema pada Tabel V. Konstruksi pengujian  pada masing-masing skema disajikan  pada Gbr.  2 sampai Gbr. 4. Motor dikopel dengan generator sinkron 5 kW yang terhubung dengan set lampu. Tingkat pembebanan motor
Mulai Pengujian Skema 1 dan Pengukuran IR dan PI Pengujian Skema 2 dan Pengukuran IR dan PI Pengujian Skema 3 dan Pengukuran IR dan PI Pengujian XRD dan SEM-EDX Selesai
diatur melalui penambahan jumlah lampu, sedangkan tingkat kelembapan dan kontaminasi diatur melalui humidifier . Motor dimasukkan ke dalam ruangan terisolasi (chamber) yang terbuat dari material akrilik dengan ukuran 50 x 80 x 75 cm 3 , sehingga lingkungan di dalam chamber tidak dipengaruhi oleh lingkungan eksternal.
T ABEL V
S KEMA P ENGUJIAN A KSELERASI P ENUAAN I SOLASI M OTOR I NDUKSI Parameter Skema 1 Skema 2 Skema 3 Beban motor Generator yang terhubung dengan set lampu 1.800 W Generator yang terhubung dengan set lampu 1.800 W Generator yang terhubung dengan set lampu 2.100 W Alat pemberi kelembapan dan kontaminasi Evaporative humidifier berisi air garam a. Evaporative humidifier dan steam humidifier berisi air garam b. Evaporative humidifier berisi air a. Evaporative humidifier dan steam humidifier berisi air garam b. Ultrasonic humidifier berisi air Modifikasi chasing motor Tidak Tidak Ya
T ABEL VI S PESIFIKASI M OTOR I NDUKSI YANG D IUJI Parameter Nilai Daya keluaran nominal 1,5 kW Jumlah kutub 4 pole Kecepatan nominal 1.380 rpm Indeks proteksi (IP) 55 Tegangan operasi 220 / 380 V Arus nominal 5,94 / 3,44 A Efisiensi (Full load) 78,6 % Daya input (Full load) 1,91 kW
Pada skema 1 dan 2, tingkat pembebanan motor adalah sama, tetapi tingkat kelembapan dan kontaminasi garam pada skema 2 lebih tinggi. Skema 3 merupakan pengujian dengan tingkat tekanan paling tinggi. Dalam hal ini, beban motor dinaikkan untuk mendapatkan kenaikan  temperatur  belitan yang lebih signifikan dan tingkat kelembapan ditambah.  Di samping itu, lubang diberikan pada chasing motor  dan kotak terminal dilepaskan dari bodi motor, seperti ditunjukkan pada Gbr.  5,  agar udara lembap  dan kontaminan dapat masuk ke dalam ruang stator secara lebih mudah.
Motor induksi yang digunakan memiliki konstruksi belitan random-wound stator dengan rotor jenis sangkar tupai (squirrel cage) . Kelas termal isolasi dari belitan stator motor tersebut tergolong kelas F (155 o C). Adapun spesifikasi lebih lengkap dari motor induksi yang digunakan disajikan  pada Tabel VI.
Pemberian kontaminasi garam pada isolasi motor dilakukan dalam bentuk udara yang mengandung garam [10]. Larutan tersebut memiliki kelarutan 56 kg/m 3 (0,954 M)  yang
tergolong kontaminasi berat [12],  [16].  Untuk mengevaluasi tingkat tekanan yang diberikan,  pengukuran  terhadap temperatur  maksimum  belitan stator dan kondisi lingkungan di dalam chamber , seperti temperatur udara maksimum dan titik embun ketika persentase kelembapan nisbi yang terukur menunjukkan nilai yang konstan, dilakukan.
Gbr. 2 Konstruksi pengujian skema 1.
Gbr. 3 Konstruksi pengujian skema 2. Gbr. 4 Konstruksi pengujian skema 3. Gbr. 5 Modifikasi chasing motor.

## IV. H ASIL DAN A NALISIS

## A. Pengujian Skema 1
Motor dioperasikan selama 3 x 24 jam. Akan tetapi, peng- operasian motor dihentikan sementara setiap 1 x 24 jam untuk pengukuran IR dan PI. Hasil pengukuran temperatur belitan stator  dan  kondisi lingkungan di dalam chamber tercantum pada Tabel VII.
Hygrometer dan thermometer Ultrasonic humidifier Steam humidifier Generator yang terhubung dengan set lampu 2.1 kW Evaporative humidifier Motor induksi Hygrometer dan thermometer Motor induksi Evaporative humidifier Generator yang terhubung dengan set lampu 1.8 kW Hygrometer dan thermometer Motor induksi Generator yang terhubung dengan set lampu 1.8 kW Evaporative humidifier
Steam humidifier
Mochammad Wahyudi: Evaluasi Degradasi Isolasi Motor ...
T ABEL VII H ASIL P ENGUKURAN T EMPERATUR DAN K ELEMBAPAN PADA P ENGUJIAN S KEMA 1
Pengujian 1 x 24 Jam ke- Temperatur Belitan ( o C) Kondisi Ruangan Chamber Temperatur Udara ( o C) Dew Point ( o C) Kelembapan Relatif (%) 1 155,61 64,3 48,4 47 2 154,36 75,4 43,8 23 3 159,24 77,3 30 13 T ABEL VIII H ASIL P ENGUKURAN IR PADA P ENGUJIAN S KEMA 1 Pengujian 1 x 24 Jam ke- Nilai IR saat 1 Menit Fase 1 Fase 2 Fase 3 1 > 4 GΩ > 4 GΩ > 4 GΩ
2 > 4 GΩ > 4 GΩ > 4 GΩ 3 > 4 GΩ > 4 GΩ > 4 GΩ T ABEL IX
H ASIL P ENGUKURAN T EMPERATUR DAN K ELEMBAPAN PADA P ENGUJIAN S KEMA 2
Durasi Pengujian (Jam) Temperatur Belitan ( o C) Kondisi Ruangan Chamber Temperatur Udara ( o C) Dew
Point ( o C) Kelembapan Relatif (%) 1 x 24 151,43 71,7 58,3 56 4 x 24 156,51 72,7 58,4 53
Beban motor yang berupa generator sinkron berkapasitas 5 kW yang terhubung dengan satu set lampu berdaya total 1.800 watt mampu meningkatkan temperatur belitan  stator  hingga melebihi temperatur rating isolasi pada pengujian 1 x 24 jam pertama dan ketiga. Temperatur belitan pada pengujian 1 x 24 jam kedua sedikit di bawah temperatur rating isolasi motor. Peningkatan temperatur cenderung menyebabkan penurunan tingkat kelembapan. Di samping itu, dengan temperatur belitan yang lebih besar daripada temperatur udara dan titik embun di dalam chamber , pengembunan tidak terjadi pada isolasi motor.
Berdasarkan hasil pengukuran IR menggunakan megger dengan rating tahanan terukur 4 GΩ, seperti tercantum pada Tabel  VIII,  nilai  IR  pada setiap fase melebihi 4 GΩ sebelum durasi pemberian tegangan DC mencapai 1 menit, sehingga nilai PI tidak terukur. Secara praktis, isolasi dikatakan dalam kondisi baik karena nilai IR  pada saat 1 menit melebihi nilai minimum yang direkomendasikan oleh IEEE Std. 43-2013, yaitu sebesar 5 MΩ.

## B. Pengujian Skema 2
Adanya  penambahan steam humidifier dan evaporative humidifier meningkatkan persentase kelembapan  hingga mencapai  56%, seperti ditunjukkan pada Tabel IX. Tingkat kontaminasi yang diberikan juga turut meningkat seiring dengan penggunaan steam humidifier yang berisi larutan air garam. Hal ini menunjukkan bahwa tingkat tekanan lingkungan yang diberikan pada pengujian ini  lebih  ekstrem daripada pengujian sebelumnya.
T ABEL X
H ASIL P ENGUKURAN IR PADA P ENGUJIAN S KEMA 2
Durasi Pengujian (Jam) Nilai IR saat 1 Menit Fase 1 Fase 2 Fase 3 1 x 24 > 4 GΩ > 4 GΩ > 4 GΩ 4 x 24 > 4 GΩ > 4 GΩ > 4 GΩ T ABEL XI H ASIL P ENGUKURAN T EMPERATUR DAN K ELEMBAPAN PADA P ENGUJIAN S KEMA 3
Durasi Pengujian (Jam) Kondisi Ruangan Chamber Temperatur Udara ( o C) Dew Point ( o C) Kelembapan Relatif (%) 1 x 24 71 62,5 69 1 x 6 71 61 63 T ABEL XII H ASIL P ENGUKURAN PI PADA P ENGUJIAN S KEMA 3
Durasi Pengujian (Jam) Nilai PI Fase 1 Fase 2 Fase 3 1 x 24 Tidak terukur 1,044 Tidak terukur 1 x 6 Tidak terukur 0,6 Tidak terukur
Pengaruh temperatur terhadap kelembapan di dalam chamber juga terlihat pada pengujian ini. Tingkat kelembapan saat motor dioperasikan seharusnya bernilai lebih tinggi  dari 56% sebagaimana tingkat kelembapan  mendekati 100% sebelum motor dioperasikan.
Berdasarkan hasil pengukuran IR pada pengujian berdurasi 1 x 24 jam, seperti ditunjukkan pada Tabel X, nilai  IR  yang terukur pada setiap fase melebihi  4  GΩ  sebelum  durasi pemberian tegangan DC mencapai 1 menit, sehingga nilai PI tidak  diperoleh. Hasil ini menunjukkan bahwa penambahan tingkat kelembapan dan kontaminasi garam yang diberikan belum memberikan penurunan kemampuan isolasi motor secara signifikan.
Pengujian dilanjutkan dalam durasi yang lebih lama, yaitu 4 x 24 jam, untuk memberikan tingkat tekanan yang lebih tinggi. Akan tetapi, berdasarkan hasil pengukuran IR, seperti tertera pada Tabel X, nilai IR masih  berada di atas nilai minimum yang direkomendasikan.

## C. Pengujian Skema 3
Penambahan beban motor mampu meningkatkan temperatur belitan stator  hingga mencapai 190 o C. Besar temperatur tersebut telah jauh  melebihi temperatur rating isolasi motor (155 o C). Di samping itu, penggunaan ultrasonic humidifier sebagai pengganti steam  humidifier lebih efektif dalam memberikan efek kelembapan sebagaimana persentase kelembapan yang terukur mendekati 70%, seperti ditunjukkan pada Tabel XI.
Pada Tabel XII, nilai  IR  yang terukur pada fase  1 dan 3 melebihi  4  GΩ  sebelum  durasi  pemberia n tegangan DC mencapai 1 menit, sehingga nilai PI tidak terukur.  Dengan mengacu pada nilai IR yang diperoleh, secara praktis, kondisi isolasi pada kedua fase  tersebut dapat dikatakan tergolong baik.
Gbr. 6 Lapisan putih pada permukaan turn insulation .
Gbr. 7 Lapisan putih pada permukaan groundwall insulation.
Hasil berbeda ditunjukkan pada fase 2 yang memiliki nilai PI kurang dari 2,0. Dengan nilai PI yang berada di bawah nilai minimum yang direkomendasikan oleh IEEE Std. 43-2013, kondisi  isolasi  terindikasi rusak. Selanjutnya, jika nilai PI tersebut dibandingkan dengan Tabel  III, nilai PI pada fase  2 berada dalam rentang  1 ,0˗2, 0. Artinya, kondisi isolasi pada fase 2 tergolong buruk.
Pengoperasian motor dilanjutkan kembali setelah pengukuran  IR  dilakukan. Akan tetapi, ketika durasi pengujian  mencapai 1 x 6 jam,  motor  berbunyi keras dan mengeluarkan asap hitam yang memenuhi ruangan chamber . Lalu, pengoperasian motor dihentikan untuk pengukuran IR.
Nilai tahanan pada fase  1 dan 3 tidak menunjukkan perubahan secara signifikan jika dibandingkan dengan pengujian 1 x  24 jam  sebelumnya. Hal ini berbeda dengan hasil pengukuran pada fase  2 yang menunjukkan nilai PI kurang dari 1,0. Nilai PI yang diperoleh tersebut berada di bawah nilai minimum yang direkomendasikan oleh IEEE Std. 43-2013 dan berada dalam  rentang  kurang dari 1,0 berdasarkan Tabel III. Artinya, kondisi isolasi tergolong sangat buruk (berbahaya). Hal ini juga didukung oleh nilai IR saat 1 menit, yaitu sebesar 0, 052 MΩ (telah dikoreksi terhadap temperatur dasar 40 o C),  yang kurang dari nilai minimum yang direkomendasikan oleh IEEE Std. 43-2013.

## D. Pengamatan Kondisi Fisik Isolasi Motor
Pasca pengujian skema 3 berdurasi 1 x 6 jam,  motor dibongkar  untuk memastikan  bahwa isolasi telah mengalami kegagalan.  Hasil penyelidikan secara fisik menunjukkan bahwa ruang  stator  tidak ditemui titik-titik air. Akan tetapi, pada bagian end-winding terdapat lapisan berwarna putih yang
menutupi permukaan turn insulation dan groundwall insulation , seperti ditunjukkan pada Gbr. 6 dan Gbr.  7. Pada Gbr. 8  terlihat bahwa pada  permukaan turn insulation dan groundwall insulation juga terdapat bercak-bercak berwarna putih yang mengendap.  Di samping itu, warna belitan stator yang semula kuning kecoklatan (sebelum motor dikenai tekanan) berubah menjadi hitam pekat akibat tekanan termal yang diberikan.
Hasil penyelidikan juga menunjukkan ada patahan pada salah satu lilitan stator, seperti ditunjukkan pada Gbr. 9. Dengan mengacu pada nilai PI fase  2 yang turun signifikan dibandingkan fase lainnya, patahan tersebut terindikasi terjadi pada belitan fase 2.

## E. Pengujian X-Ray Diffraction (XRD)
Bercak  putih  yang mengendap  pada turn insulation dan groundwall insulation perlu diverifikasi,  endapan tersebut adalah kontaminan garam (NaCl) yang diberikan selama pengujian atau kontaminan lainnya. Dalam hal ini, endapan tersebut diambil sebagai sampel pengujian XRD di Laboratorium Karakterisasi, Jurusan Teknik Material dan Metalurgi ITS.
Hasil pengujian XRD menunjukkan bahwa bercak putih yang mengendap dan tersebar pada permukaan turn insulation dan groundwall insulation merupakan kontaminan garam yang diberikan. Hal ini dibuktikan melalui spektrum gelombang hasil pengujian XRD,  seperti ditunjukkan pada Gbr. 10. Puncak-puncak gelombang yang terbentuk (ditandai
Gbr.  8  Bercak  putih yang mengendap  dan tersebar  pada  permukaan isolasi motor.
Gbr. 9 Patahan pada belitan stator.
Mochammad Wahyudi: Evaluasi Degradasi Isolasi Motor ...
Gbr. 10 Spektrum gelombang hasil pengujian XRD.
oleh warna biru) teridentifikasi sebagai senyawa NaCl (garam) berdasarkan perangkat lunak PDF Card. Nilai-nilai parameter puncak gelombang yang terdeteksi tersebut ditunjukkan secara lebih detail pada Tabel XIII.
T ABEL XIII N ILAI P ARAMETER P UNCAK G ELOMBANG H ASIL P ENGUJIAN XRD
Pos. [°2Th.] Height [cts] FWHM Left [°2Th.] d-spacing [Å] Rel. Int. [%] 27,6242 261,19 0,0836 3,22921 12,19 31,8474 2142,97 0,0816 2,80765 100,00 31,9505 1906,40 0,0408 2,80578 88,96 45,5884 1030,52 0,0816 1,98827 48,09 45,7025 859,11 0,0612 1,98850 40,09 45,8171 284,12 0,0408 1,97887 13,26 54,0052 127,86 0,0816 1,69658 5,97 54,1611 65,34 0,0612 1,69627 3,05 56,5793 418,76 0,0816 1,62535 19,54 56,7392 251,06 0,0612 1,62517 11,72 66,3300 185,22 0,1020 1,40809 8,64 66,5127 109,00 0,0816 1,40816 5,09 73,2165 24,04 0,1224 1,29171 1,12 75,4092 367,62 0,1224 1,25950 17,15 75,6595 147,44 0,1632 1,25908 6,88 84,1020 355,25 0,1428 1,15006 16,58 84,3321 166,88 0,1632 1,15036 7,79

## F. Pengujian Scanning Electron Microscope (SEM) - Energy Dispersive X-ray (EDX)
Pengujian SEM  bertujuan untuk mengetahui kondisi fisik permukaan isolasi dengan perbesaran tertentu. Sampel yang digunakan adalah filamen belitan stator yang normal (tidak dipengaruhi oleh tekanan apapun) dan filamen belitan stator yang telah dipengaruhi oleh tekanan atau terdegradasi (pasca pengujian skema 3 berdurasi 1 x 6 jam). Sampel  isolasi terdegradasi yang dipilih adalah filamen yang diselimuti oleh lapisan putih pada permukaan isolasinya.
Perbedaan  hasil uji SEM pada perbesaran 200  kali  antara isolasi yang normal dan isolasi yang dipengaruhi oleh tekanan termal, kelembapan, dan kontaminasi garam tidak terlalu signifikan, seperti ditunjukkan pada Gbr. 11. Akan tetapi, dengan perbesaran yang lebih tinggi, yaitu 2.000  kali, perbedaan  fisik terlihat lebih jelas, seperti ditunjukkan pada
Gbr. 12. Permukaan isolasi yang normal  terlihat rata, halus, dan bersih, sedangkan permukaan isolasi yang dipengaruhi tekanan terlihat tidak rata, kasar, dan kotor.
(a) (b)
Gbr. 11  Permukaan isolasi  belitan  stator  dengan perbesaran 200  kali;  (a) kondisi normal;  (b) dipengaruhi tekanan termal, kelembapan, dan kontaminasi garam.
(a) (b)
Gbr. 12  Permukaan isolasi  belitan  stator  dengan perbesaran 2.000  kali;  (a) kondisi normal;  (b) dipengaruhi tekanan termal, kelembapan, dan kontaminasi garam.
Melalui pengujian EDX,  komposisi kimia suatu material dari sampel citra SEM dapat diketahui. Gbr. 13 menunjukkan hasil pengujian SEM dengan perbesaran 1.000 kali, sedangkan hasil pengujian EDX-nya  ditunjukkan  pada  Tabel XIV dan Tabel  XV. Pada kedua tabel  tersebut,  perbedaan  komposisi kimia antara isolasi yang normal dan isolasi yang dipengaruhi oleh  tekanan dapat diamati secara jelas.  Komposisi kimia isolasi normal hanya terdiri  atas  O, Si (material isolasi), dan Cu (material konduktor penghantar), sedangkan pada  isolasi yang dipengaruhi oleh tekanan terdapat  banyak  unsur  lain yang  merupakan mineral yang terbawa oleh uap air, sebagaimana  air yang digunakan pada humidifier bukan air murni H 2 O .
Gbr. 13  Permukaan isolasi belitan stator dengan perbesaran 1.000  kali;  (a) kondisi normal;  (b) dipengaruhi tekanan termal, kelembapan, dan kontaminasi garam. Kotak merah menunjukkan area yang digunakan sebagai sampel pengujian EDX.
Gbr.  14  Pengujian SEM pada filamen yang mengalami retak;  (a) lokasi retakan  (ditandai lingkaran merah);  (b) perbesaran 1.000  kali dengan titik merah sebagai sampel pengujian EDAX; (c) perbesaran 1.000 kali dengan area kotak merah sebagai sampel pengujian EDX.
T ABEL XIV K OMPOSISI K IMIA I SOLASI N ORMAL B ERDASARKAN S AMPEL C ITRA SEM PADA G BR . 12( A )
Elemen Wt% At% OK 53,10 80,83 SiK 2,47 2,14 CuK 44,43 17,03 T ABEL XV
K OMPOSISI K IMIA I SOLASI YANG D IPENGARUHI T ERMAL , K ELEMBAPAN , DAN K ONTAMINASI G ARAM BERDASARKAN S AMPEL C ITRA SEM PADA G BR . 12( B ) Elemen Wt% At% OK 55,50 74,81 NaK 2,48 2,33 MgK 1,26 1,11 SiK 0,43 0,33 SK 0,47 0,32 ClK 0,88 0,53 CaK 36,92 19,87 CuK 2,06 0,70
Pengujian SEM-EDX juga dilakukan pada permukaan filamen yang mengalami retak (crack) , seperti ditandai oleh kotak merah pada  Gbr. 14(a). Filamen tersebut berada dalam satu koil dengan lokasi patahan. Hasil pengujian EDX pada sampel bertanda merah (Gbr. 14(b)) menunjukkan bahwa titik merah  tersebut  terindikasi sebagai konduktor. Hal ini
disebabkan oleh persentase  Cu yang paling dominan dibandingkan komposisi kimia lainnya, seperti terlihat pada Tabel XVI.  Di sisi lain, area kotak merah pada Gbr. 14(c) merupakan kontaminan yang menutupi konduktor penghantar. Hal ini disebabkan oleh adanya unsur Na dan Cl yang merupakan  komposisi kimia  penyusun garam serta Cu yang merupakan  material penyusun  konduktor, seperti ditunjukkan pada Tabel XVII.
T ABEL XVI
H ASIL P ENGUJIAN EDX PADA T ITIK M ERAH G BR . 14( B ) Elemen Wt% At% OK 1,72 6,43 ClK 1,40 2,36 TiK 0,71 0,89 CuK 96,16 90,32
T ABEL XVII H ASIL P ENGUJIAN EDX PADA A REA K OTAK M ERAH G BR . 14( C ) Elemen Wt% At% OK 39,05 63,75 NaK 5,66 6,42 AlK 1,68 1,62 ClK 15,33 11,29 TiK 8,73 4,76 CuK 29,57 12,15

## V. K ESIMPULAN
Pemberian tekanan termal akibat beban lebih dan tekanan lingkungan akibat kelembapan dan kontaminasi garam (partikel konduktif)  selama 222 jam mampu mendegradasi isolasi motor induksi hingga  rusak, sehingga  belitan stator motor mengalami hubung singkat  dan terbakar.  Pada pengujian skema 1 dan 2, kondisi isolasi pada semua fase masih tergolong baik berdasarkan nilai IR yang lebih dari nilai minimumnya (5 MΩ ,), sedangkan nilai PI tidak terukur karena nilai  IR  saat  1  menit  pengukuran  melebihi  4  GΩ.  Pada pengujian skema 3, kondisi isolasi pada fase  1 dan 3 masih tergolong baik, sedangkan kondisi isolasi yang buruk ditemui pada fase 2. Hal ini dibuktikan oleh nilai IR yang kurang dari nilai minimumnya dan nilai PI yang berada dalam kategori <1 (buruk atau berbahaya). Selain itu, hasil pengujian SEM-EDX dan XRD menunjukkan bahwa pada permukaan isolasi motor ditemukan  mineral-mineral yang berasal dari uap  air, kontaminan  garam, retakan, bahkan patahan. Berdasarkan hasil pengamatan fisik, mineral tersebut terlihat sebagai lapisan putih pada permukaan turn insulation dan groundwall insulation .  Warna belitan menjadi hitam (teroksidasi), tetapi titik-titik air tidak ditemui pada isolasi. Di samping itu, bagian end-winding adalah bagian yang paling mudah dipengaruhi oleh kelembapan dan kontaminasi.  Dengan demikian, berdasarkan seluruh hasil yang diperoleh, nilai IR saat 1 menit yang  kurang  dari  5  MΩ  dan  nilai  PI  kurang  dari  2 ,0 mengindikasikan isolasi telah dipengaruhi kelembapan dan kontaminasi yang disertai kerusakan serius pada isolasi.

## R EFERENSI
[1] Motor Reliability Working Group, “Report of Large Motor Reliability Survey of Industrial and Commercial Installations, part I,” IEEE Trans.
Ind. Appl. , Vol. IA-21, No. 4, hal. 853-864, Juli/Agt. 1985.
(a) (c) (b) Lokasi patahan
[2] G.C.  Stone,  E.A.  Boulter,  I.  Culbert, dan H.  Dhirani, Electrical Insulation for Rotating Machines: Design, Evaluation, Aging, Testing and Repair , New York, USA: Wiley- IEEE Press, 2004.
[3] J.H. Dymond,  N.  Stranges,  K.  Younsi, dan J.E. Hayward, “Stator Winding  Failures: Contamination,  Surface Discharge, Tracking,” IEEE Transactions on Industry Applications , Vol. 38, No. 2, Mar./Apr. 2002.
[4] IEEE  Recommended Practice for  Testing Insulation Resistance of Electric Machinery , IEEE Std. 43-2013, 2013.
[5] R.M. Tallam, S.-B. Lee, G. Stone, G.B. Kliman, J. Yoo, T.G. Habetler, dan R.G. Harley, “A Survey of Methods for Detection of Stator Related Faults  in Induction Machines,” 4th IEEE International Symposium on Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics and Drives, (SDEMPED 2003) , 2003, hal. 35-46.
[6] S.B.  Lee,  J.  Yang,  K.  Younsi, dan R.M.  Bharadwaj, “An  Online Groundwall  and Phase-to-Phase  Insulation Quality Assessment Technique  for Ac-Machine Stator Windings,” IEEE Transactions on Industry Applications , Vol. 42, No. 4, Jul./Agt. 2006.
[7] Insulation Resistance Testing , Fluke Corperation, 2007.
[8] M. Farahani, E. Gockenbach, H. Borsi, dan M. Kaufhold, “Behaviour of a  Machine Insulation System During Accelerated Aging Tests,” IEEE International Symposium on Electrical Insulation , 2008, hal. 404-407.
[9] D.L.  McKinnon, “Insulation Resistance Profile (IRP) and Its Use for Assessing Insulation Systems,” IEEE International Symposium on Electrical Insulation , 2010, hal. 1-4.
[10] A.  Brown,  M.  Essalihi, dan E.  David, “Insulation  Resistance Measurements for Machine Insulation,” Electrical Insulation Conference , 2011, hal. 261-264.
[11] H. Torkaman dan  F. Karimi, “Measurement  Variations  of Insulation Resistance/Polarization Index During Utilizing Time  in HV Electrical Machines – A Survey” Measurement , Vol. 59, hal. 21–29, 2015.
[12] I.M.Y. Negara, D.A. Asfani, D. Fahmi, S.S. Aisyah N., “Testing and Simulation  of Motor Insulation System Under Some Artificial Environmental Conditions,” Proc. of Int.  Conf.  on Electrical Engineering, Computer Science, and Informatics (EECSI), 2014, hal. 286-289.
[13] A.S.  Guedesa, S.M.  Silvaa, B.d.J.C.  Filhoa,  dan  C.A.  Conceic¸ “Evaluation  of Electrical Insulation in Three-Phase Induction Motors and Classification of Failures Using Neural Networks,” Electric Power Systems Research , Vol. 140, hal. 263–273, 2016.
[14] N.  Phloymuk dan N.  Tanthanuch, “Improvement of Insulation for Rotating  Machine by Dry  Ice  Method,” International Electrical Engineering Congress (iEECON) , 2016, hal. 345-348.
[15] N. Lahoud, J. Faucher, D. Malec, dan P. Maussion, “Electrical Aging of the Insulation of Low-Voltage Machines: Model Definition and Test with  the  Design  of Experiments,” IEEE Transactions on Industrial Electronics , Vol. 60, No. 9, hal. 4147-4155, 2013.
[16] M. Yamamoto dan K. Ohashi, “Salt Contamination of External of High Voltage Apparatus and Its Countermeasurs”, Transactions of the American Institute of Electrical Engineers. Part III: Power Apparatus and Systems , Vol. 80, No. 3, hal. 380-387, 1961.