Indonesi an  Journa l  of El ect ri cal Engineer ing  an d  Comp ut er  Scie nce   Vo l.   1 3 ,  No.   3 ,  Ma rch   201 9 , p p.   8 53 ~ 860   IS S N: 25 02 - 4752, DO I:  10 .11 591/ijeecs .v1 3 .i 3 .pp 8 53 - 8 60          853       Journ al h om e page :  http: // ia es core.c om/j ourn als/i ndex. ph p/ij eecs   Optimi satio n  of  zinc o xide surg e arr este r design usi ng  gravitati onal se arch al gorithm an d im perialist  comp etitive  algorith m       Syahira h  Ab d  Ha li m 1 ,  Az ah M ohamed 2 ,  Nor  Az w an   M ohamed  K am ar i 3 , A fid a A yob 4 , Ab H alim  Ab u   Bakar 5 ,  H az le e A z il  Ill ias 6   1,2,3,4 Cent re   for  I nte gra te d  Engi n e eri ng  S y stems   a nd  Advanc ed   T e chnol ogi es,   Uni ver siti   Keba ngsa an  Mal a y s ia,    Sela ngor,   Mal a ysia   5 UM   Pow er  Energ y   Dedicat ed  A dvanc ed   Centre (U MP EDAC),  W i sm a  R&D  UM ,   Univer sit i  M al a y a ,   Kuala L u m pur,   Malay s ia   6 Depa rtment of  El e ct ri ca l   Eng in ee ring ,   Fa cul t y   o f  Engi n ee ring ,   Univer siti   Mal a y a ,   Kuala L um pur,  Malay s ia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   S e p   30 , 201 8   Re vised   N ov   2 7 , 2 018   Accepte d  Dec  15 , 201 8       Reduc ing  e lectr i c  fie ld  str ess  near  the   ene rg ised  e nd  of  surge  arr este rs  is  ve r y   important   be ca u se  it   m a y   inc r eas e  the   l ife t ime  of  the   high l y   st ressed  ZnO  col um n  in  vic in ity   of  th e  high  volt ag e  el e ct rod e.   Mos t  of  pre vious  works  were   base d  on  m anuf ac turers ’  proc edur es  and   tri al   and  err or   m et hod  to  improve  the  sur ge  arr este r   desig ns.  In  th is  work,   opti m isat ion   of   ZnO  surge   arr este r   design  m odel s  using  Gravi t at ion al   Se a rch   Algorit hm   ( GS A)  and   Im per ia li st  Com pet itive  Algori t hm   (ICA)  is   proposed.   The   su rge   arr est er  m odel s  were   de vel oped  using  f ini te   el emen t  a naly s is  (FEA)  and  used  to  det ermine  the   elec tr ic   fi el d  d istribution.   The   op tim isat ion  m et hod s  were   used  to  determ ine   the   arr este r  d esign  p ara m et ers  whi ch   y i el d  th e  m ini m um   el ec tr ic  fie ld  stress  surrounding  the   ene r giz ed  end  of  th e   surge  arr este rs.  GS A  is   le ss  complex  since   it  req uire s  onl y   t wo  par amete rs  to  be  adj usted  i.e.   m ass  and   vel oc ity   whil e  I CA  demons tra tes   faste r  conv erg enc e   and  b et t er  ac hi eve m ent  of  global  opt imum .   Th e   per for m anc e  of   the  p roposed  m et hod s  was  the n   compare d  with   the   m anuf ac tu rer ’s  te st  d ata   and  pre v iousl y   d eve lop ed   m et hods.   Ke yw or d s :   Arrester  desi gn   Ele ct ric fiel d o pti m iz at ion   Finit e ele m ent  analy sis   Copyright   ©   201 9   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .     Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Syahira h Abd  Halim ,   Ce ntre fo r In te gr at e d  E ng i nee rin g  Sys te m s an d A dvance d Tec hnol og ie s ,   Un i ver sit i Ke ba ngsaan  Mal ay sia , S el an gor,  Ma la ysi a .   Em a il :  sya hirah _h @ukm .ed u.m y       1.   INTROD U CTION   Zinc  oxi de  (Z nO)  s urge  a rr e ste rs  ha ve  bee n  widely   us e d  nowa days  in   ov e r vo lt age   pr otect ion   of   transm issi on   li ne  syst em s  [1 ] .  The  m os t  rec ently   dev el op e d  Z nO   surge   a rr est er s  do  no t   require  s erial   gaps  ow i ng  to  t heir   excell ent  nonl inear  prop e rtie s  [ 2].  Ne ver t heless,  t he  re m ov al   of   the   serial   ga p  ca use s  Zn O   disk s  bein g  co ntinuo us ly   stressed  by  AC  powe r  f reque nc y  vo lt age  [ 3].  To  incr ease  th e  un if or m it y  o f  the   el e ct ric p ote ntial  d ist rib utio n,   op ti m isa t ion   of the elec tric   fiel d  inten sit y aro und  t he  s urge a rr est er  is  need e d.   Nu m erous  res earches  relat ed  to  dete rm in at ion   of  el ect ric  fiel d  in  a   su r ge  ar reste r  ha ve  bee n  publishe d.   Han  et   al .  descr ibe  the  fo rm ulati on   of   s em i - analy ti c  finite   e leme nt  m e thod  to  determ ine  pote ntial   distrib ution  of   high  vo lt age   m e ta l  ox ide  arr est er   [ 4].  Me anwhil e,  H add a d  &  Nayl or   c om pu te d  el ect ric  po te ntial   and  f ie ld  distrib utio n  of   a  ty pical   po ly m er  zi nc  ox i de  s urge  a r rester  by  m ea ns   of   finite   el e m ent  m et ho d  [ 5].  E konom ou   et   al.   have  form ulate d  an  arti fici a l  neu ral  netw orks  (AN Ns)   ba sed  m et ho d  wh ic h   cou l d  be  us ef ul  in  determ ining   el ect ric  fiel d  distri bu ti on  of   m edium   vo lt age   s urge  arr est er s  f or  de si gn   processes  and  diag nosti c test s [6] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   1 3 , N o.   3 ,  Ma rc h   201 9   :   8 5 3   –   8 6 0   854   Howe ver,  m os t  of   t he  stu dies   are  j us t  li m it e d  f or  el ect ric  f ie ld  m agn it ud e   cal culat ion .   O nly  seve ral  stud ie s  had   pre sented  m et ho ds  to  m ini m iz e  el ect ric  fiel d  in te ns it y  of   s urg e  arr est er s  duri ng   norm al   op e rati ng   conditi ons.  He   et   al .  discuss e d  their  fin ding s  on   t he  el ect r ic   po te ntial   dis tribu ti on  of   a n  AC  1000  kV   ultra  high  volt age  ( UHV)   m et al  ox ide  sur ge  arr e ste r  [3 ] .  The  st ud y  ha d  f ocu s ed  on  analy sin g  an d  i m pr oving   the   el ect ric  po te ntial   distrib ution  of   t he  U H V  su r ge  a rr est e r  by  the  a pp li ca ti on   of  th ree  di ff ere nt  ap proa ches;  fiel d - ci rc uit co m bin at ion , thre e - dim ension al   (3D) fi nite el em ent  m et ho d ( FEM) a nd circ uit analy sis.   Ku m ar  &  M ogaveera   ha d  at te m pted  to  i m prov e   the  volt ag e  distrib utio n  unif or m ity  of   a   220  kV  a nd   a  400  kV  s urg e  arr est ers  unde r  cl ean  an d  poll uted  e nv i ron m ent  by  m eans  of   n um erical   fiel d  com pu ta ti on   [7 ] .   In  the  stu dy,  de sign  opti m isa ti on   of  the   sur ge  a rr est e rs’  ge om et ries  wh i ch  i nclu de  gr a ding  rin g  a nd  sp acer s  was  co nducte d  in  order   t o  inv e sti gate  their  infl uen ce  on  the  vo lt age  di stribu ti on  un de r  norm al   op erati ng   conditi ons.   In   t he  past  w orks,   t he  el ect ric   fiel d  distrib ution   of  a  s urge  a rr est er   great ly   dep e nds  on  the   ge om et ry   desig n  a nd   el e ct rical   pr ope rtie s  of   t he  go vernin g  m at erial .  The  m ini m isa tio n  of   t he  el ect r ic   fiel d  m agn itu de  of   the  ar re ste r  w as  achieve d  by   proposing  s ever al   desig n  m et ho ds.  H ow ever,  w orks  on  us i ng  opti m isa ti on   m et ho ds t o  m i nim ise  the elect ric fiel d  m agni tud e a re less li kely  to be  fou nd in  li te ratur e .   Ther e f or e,  i n  this  w ork,   m inim isi ng   the  el ect ric  fiel d  m ag nitud e  i n  tw o  Zn O  surge  a rrest er  desi gn   m od el s  is  pr opos e d  by  us in g  Gr a vitat ion al   Searc h  Algorit hm   (G SA )  a nd  Im per ia li st   Com pet it ive  Algorithm   (I CA ).   T he  surge  ar rester  m od el s  we re  de velo ped   us in g  finite   el e m ent  analy sis  (F EA)   to  determ ine  the  el ect ric  fiel d  distrib ut ion.  T o  validat e  the   per f orm ance  of   the  pr opose d  m et ho d,   c om par ison   with  the  m anu fact ur e r’ s   te st  data  and   oth e r  opti m isa t ion   m et ho ds   w ere  m ade.  Using  opti m isa ti on   m et ho ds,  it   is  m or e   conve nient  to  perform   design   opti m isa ti on   on   t he  s urge  arr est er  ge om e try   instea d  of   changin g  t he  m at erial   pro per ti es  by tr ia l and  e rro r  to  obtai n  the   desired el ect ric fiel d dist rib ution .       2.   MO DELL IN G OF  S URGE A RR EST E R IN FE A   Series  of   te sts   wer e   car ried   out  on  tra nsm issi on   li ne  a rr est er   ha ving   rated  volt age   of  12 0  kV.   Table  1  s p eci f ie s  the  c har act erist ic s  of  the   su r ge  a rrest er  in  this  w ork,  as  sp eci fied   in   the  m anufacture r’s   datasheet.  Fig ur e  1  s hows  t he  tw o - dim ension al   ( 2D)  a xi al   sy m m et ric  m od el   geo m etr y  of  the  Z nO  arr est e r   that  has  been   de velo ped  in  th e  FEA   s oft ware.  The  ‘Elect r ost at ic ’  interfac e  of   t he  AC/ D C  m od ule  a vaila ble  in   the  softwa re  w as  us e d  to  s olve   the  m od el .  A   la ye r  of   ai r  s urr oundin g  the  arr est er  was  al so   dra wn   t o  ob serve   the  el ect ric  field   distrib utio n  on   the  s urface  of   the  s heds.  Ma te rial   pr ope rtie s  as  sh own  in  Ta ble  2  we r e  then  assigne d  t o  eac h do m ai n.       Table  1.  Elec tr ic al  an d   I ns ulat ion   Data  for A r rester   Para m eter   Valu e   Rated  vo ltag e   1 2 0  kV   Maxi m u m  r esid u al  vo ltag e ( 1 0  kA 8 /2 0  µs  curre n t)   3 1 6  kV   Heig h t   7 5 0   m m   Ins u latio n   m a terial   Silico n e r u b b er   Creepag e   d istan ce   1 6 4 0   m m             Figure  1. 2D a xial sy m m et ric al  o f  ZnO  surg e arr e ste r  m odel       Table  2.  Mat er ia l Proper ti es  of the  S urge  Arr est er C om pone nts   Do m ain   Mater i al   Relativ e per m ittiv ity ,  ε r   Co n d u ctiv ity ,  σ  (S m - 1 )   1   Alu m in iu m     1   3 .77 4 x 1 0 4   2   Zinc o x id e    2250   No n - lin ear   3   Silico n e r u b b er   3 .6   1x10 - 18   4   Fib reglass     4 .2   1x10 - 18   5   Air   1   0     1   5     4       1     2     3     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Op ti mis atio n o f zi nc oxide s urge  ar reste r  de s ign   us i ng g r avi tati onal se ar ch … ( Syahira h  A bd Hali m )   855   Af te r  as sig ning  the  m at erial   pro per ti es,  rele van t  inte rf ace  conditi ons  we r e  app li ed  at   ea ch  bo undar y   in  the  ge om etr y.  The  gro un d  bo unda ry  conditi on   was  app li ed  at   the   bo tt om   par t  of   th e  ar rester ,  w hich   sp eci fies  zer o  el ect ric  po te ntial .  The  uppe r  pa rt  of   the  arre ste r  was  sp eci fied  as  a  te r m inal  so urce  of   sta ti on a r y   el ect ric  po te ntial .  Since  t he  ar rester  was  e ncl os e d  in  a   sphe r ic al   ai r  do m ai n,   it s  oute rm os t  bounda ry  co nd it ion   was  assi gned  a s  el ect ric  ins ulati on . Th e   inte rf ace  c onditi on   of  the   rem ai ni ng  bo unda ries w as  set   as   c on t inu it y.   The  nex t  ste p  was  to  m esh  the  ge om et ry  i nto   sm al le r  ele m ents  for  ef f ect ive  com pu ta ti on .  In   t his  m od el ,  extrem el y  fine  m esh  el e m ent s  wer e  a ppli ed   on   the  area  s urrou nd i ng   the   ZnO   col um n.   This  was  done   to   increase  the  preci sion   of  the  el ect ric  fiel d  distribu ti on  as  the  Zn O  col umn  determ ines  the  be hav i our  of   the   arr est er .       3.   DESIG N OPT IMISATIO N USI NG IC A AND  GS A   The  s urge  ar re ste r  de sig n op ti m isa ti on  p r oce dures use d  i n  t his wo rk are  as  foll ow s:   Step  1: T he  a rrest er w a s m odel le d  in F EA  s of t war e t o  cal c ulate  the elect r ic  f ie ld  distrib ut ion .   Step  2: T he  m od el  w a s inter fa ced  with  GSA  and IC A  al go rithm s f or   desig n op ti m isa t ion .   Step  3: T he op t i m isa t ion   was r epeate d u ntil  the c onve rg e nc e crit eria are  r e ached.   The  op ti m ise d  var ia bles  m us t  resu lt   in  m i nim u m   el ec tric   fiel d  m agn it ud e   at   re gions   wh ic h  a re  consi der e d  crit ic al   on   the  surge  ar rester .  I n  this  case,  the  m axi m u m   electric  fiel d  on  the  sil ic on e  ru bb e r  su r face  m us t  be  equ al   or  le ss  than  the  el ect ric  streng th  of   ai r,   i.e.  3  kVm m - 1 ,  to  avo id  a ny  su r face  disc harge   occurre nce.  T hus,  t he o bj ect iv e f un ct io n  is  de fine d  as:     J =  {  − 3   − 1 }   (1)     wh e re  Em ax  is   the  m axi m u m   el ect ric  fiel d  (in  kVm m - 1 )  po int  al ong  the  ar rester  axis,  w hi ch  is  locat ed  on  the   ti p  of  th e  ins ul at ion   hous i ng  sh e d  near  to  t he   hi gh  volt age   el ect ro de .  T he  const raints  de f ined   co ns ide ri ng  the  lim it s  relat ive  to  arr est e r’ s  di m ension   a nd   m at erial   pr op e rtie s  are  sho w n  in  Ta ble  3.   Th ere  a re  no  a vaila ble   sp eci fic  sta nd a rd s   relat ed   to   the  s urge  a rr es te r’ s  desig n,  t hu s   the   va riat ion  lim it s  of   th e  desi gn  pa ra m et ers  wer e  chose n b ased  on the  sim ula ti on  r e su lt s and t he geom et ric feasibil it y.       Table  3.  Lim it s  Rel at ive to Ar rester  Dim ensi on a nd Mat eria l P r op e rtie s   Para m eter   1 2 0  kV arr ester   Lower li m it   Up p er  li m it   Intial v alu e   Rad iu s o f  FRP rod    0 .1 c m   2 .0 c m   1 .0 c m   Rad iu s o f  ins u latio n  ho u sing   2 .0 c m   4 .0 c m   3 .0 c m   Relativ e per m ittiv ity  of  silico n e r u b b er   5 .0   7 .0   6 .0   Relativ e per m ittiv ity   o f  FRP rod   3 .7   1 0 .0   4 .2       3 . 1 .     Gr avit ati on al  Searc h  Algori th m  (G SA )   Gr a vitat ion al   Searc h  Algorit hm   inv ol ves  a   group  of  sear cher   a gen ts,  w hich  interact   be tween  them   thr ough  the   gravit y  force.   T he   age nts,  al so   known   as  obj e ct s,  are   m easur ed  i n  te rm   of  pe rfor m ance  ac cordi ng   to their m asses. Th is  gravity  for ce  cause s m ov em ent o f  t he object s t ow a rds o the r o bj ect s  with  heav ie r  m asses .   The flo wch a rt  of the  GSA m et hod  is  de picte d  in  Fig ure  2  [ 8,   9].     3 . 2 .      Im peri al ist Compe titi ve  A lg orit hm  (I CA)   In   this  al go ri th m ,  the  popula ti on   i nd i viduals  are  ref e rred  as  country.  In it ia ll y,  so m e  of   the  countries   with  bette r  ob j ect ive  functi on  are   assig ne d  as  im per ia li st s  w hile  oth e rs   are  assi gn e d  as  colo nies  t ha t  al l   tog et he r  f orm  s om e e m pires.  D uri ng the c om pet it ion , th e  pow e r  of the  dom inant e m pire  will  incr ease,  an d  t he  powe r  of   the  weak   em pire  will   decr ease.  The  su it able  e m pires  will  ta ke  po sses sio n  of  their  colo nies .  At  th e   end   of   the  com petit ion ,  the re  will   be  on ly   one  i m per ia li st   a nd   oth er s  will   be  it s  colon ie s.   The  flo wch a rt   of   the   ICA  m et ho d  is  dep ic te d i n Fi gure  3 [ 10,   11 ] .       4.   EL ECTRIC F IEL D  D ISTR I BUTION  I N  S URGE A R RE STE R   The  el ect ric  fiel d  distrib uti ons  in  the  rated   120  kV  surge   arr est er  m od el   geo m et ry  wh en  el ect ric   po te ntial   of  1 32  kV w as  ap plied  on  the  e ne r gized  e nd   a re  i ll us trat ed  in  Fi gure  4   a nd  Fig ur e 5 .  T he  c ut  li ne  2D   plo t  of the elec tric  f ie ld al ong t ip of th e  ho us ing sh eds  is il lu strat ed  in  F ig ur e 6 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   1 3 , N o.   3 ,  Ma rc h   201 9   :   8 5 3   –   8 6 0   856       Figure  2. Flo w char t  of Gra vitat ion al  Sea rch  Algorithm           Figure  3. Flo w char t  of I m per i al ist  Co m petit i ve Alg or it hm   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Op ti mis atio n o f zi nc oxide s urge  ar reste r  de s ign   us i ng g r avi tati onal se ar ch … ( Syahira h  A bd Hali m )   857       Figure  4. Ele ct ric fiel d dist ri buti on of  120 k V  a rr est er           Figure  5.   Ele ct ric fiel d dist ri buti on on t he  ti p o f  s hed s       It  is  obvious  t ha t  the  el ect ric  fiel d  distrib utio n  al ong  t he  s he ds   is  not  unif orm   wh ere h ig h  m agn it ud e s   wer e   obse rv e d  m a inly   on  the   ti p  of  t he  s he ds   wh ic h  a re  ne arer  t o  e nergi zed  e nd  te rm inal.  This   is  due  to  the   diff e re nt  m at erial s  in  the  su rge  arr est er ’s  str uctu re,  w hich  hav e  diff e re nt  per m it t ivit y  an d  boun dar y  co nd it io n.   Re fer ri ng   t o  F igure  6,   t he  el ect ric  fiel d  m a gn it u de  al so   s hows  a  s udde n  increa se  w he n  there  is  a  r egio n  transiti on fro m  air to  sil ic on e   rub ber .   At the inter fac e b et wee n  ai r  a nd  t he  ho us in g sheds, the re is a d isc onti nu it y of  the elect ri c fiel d  due to  the  pe rm itti vit y  diff e re nce  be tween   both   m at erial s.  The   r el at ive  per m it t ivit y,  ε,  descr i bes  t he  a bili ty  of  th e   m at erial   to  al i gn   t he  el ect ric  fiel d.   A  m at eri al   with  highe r  per m it t ivit y  has  higher  a bili ty  to  al ign   the  el ect ric  fiel d,   th us   resul ti ng   in  lo wer   el ect ric  fiel d  con ce ntrati on  in   the  m a te rial .  In   this  case,  t he   relat ive  pe rm i tt ivit y  of   sil ic one  r ub ber   is  norm al l y  hig he r  tha n  the  ai r  re gion.   Ther e f or e,  t he   el ect ric  fiel d  betwee n  ti ps   of   t he  hous i ng   s heds  and   t he  ai r  re gi on   is  m or e  intense  tha n  in  th e  inn er  st ru ct ure  of   t he  housi ng   s he ds .  It  is  al so   ob s er ved  that t he  el ect ric fiel d  intensit y dec reases at the locat ion  fur t her  than  the  hous i ng sh e ds , m ai nly i n  the   reg i on of air .   Table  4  prese nts  the  or i gin a l  and   opti m ised   pa ram et ers  fo r  FRP  r od  an d  sil ic on e  r ub ber   hous in g  m at erial s  of   th e  120  kV  surg e  arr e st er,   cal culat ed  by  the   GSA  a nd  IC A   m e tho ds.  All  op ti m iz ed  par a m et ers  wer e  determ ined  based  on  t he  e valuati on  of   t he  m ini m u m   value  of   t he   obj ect ive   f unct ion.  T he  optim ise d  dim ension   pa r a m et er  values  for  the  G SA   a lgorit hm   on ly   sh ow  sli ght  de viati on s  from   t he  opti m ise d  va lues  cal culat ed by t he ICA al gorithm .   Table  5  pr ese nts  the   m axi m u m   e le ct ric   fiel d  al ong  the  ar rester  a xis  ob ta ine d  with  or i gin a l   dim ension s  a nd  op ti m ise d  pa ram et ers  of   t he   120  kV  sur ge  arr est er .  It  is  obvi ous  that  t he   us e   of  t he  op ti m ise d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   1 3 , N o.   3 ,  Ma rc h   201 9   :   8 5 3   –   8 6 0   858   dim en sion   an d  relat ive  per m it ti vity  values  of   the  FRP  r od  an d  the  sil i con e  r ubbe r  hous i ng  sign ific antly   reduces  t he  m axim u m   el ect r ic   fiel d  on   t he   ti p  of  the   ho us in g  s he d,   w hich  is  nea rer   to  the  e ne rg iz ed  e nd   el ect ro de .  Im ple m enting  the  optim ise d  value s  fr om   the   ICA  al gorithm   resu lt s  in  sli gh tl y  lower   el ect ric  fiel d  intensit y com par ed  to  t he GS A op ti m ise d  va lues.           Figure  6.   2D c ut li ne of  elec tr ic  f ie ld alo ng t he  ti p o f  s heds       Table  4.   In it ia l  A nd Opti m ise d Desig n Para m et ers  of t he Ar rester   Para m eter   1 2 0  kV   Initial v alu e   GSA valu e   ICA valu e   Rad iu s o f  FRP rod  (c m )   1 .0   1 .34   1 .13   Rad iu s o f  ins u latio n  ho u sing (c m )   3 .0   2 .07   2 .37   Per m i ttiv ity  of  FR P r o d   4 .2   9 .52   7 .96   Per m i ttiv ity  of  sili co n e r u b b er   6 .0   6 .69   6 .71       Table  5.   Ma xi m u m   Ele c tric  Fiel d  Al ong  t he   A rr est er  Axis   Mod el   Maxi m u m  elect ric  f ield  ( k V m m - 1 )   Initial v alu e   GSA Opti m ised   Red u ctio n  us in g  GSA   ICA Opti m ised   Red u ctio n  us in g  I CA   1 2 0  kV   0 .98 3 8   0 .24 6 1   7 4 .98 %   0 .24 5 2   7 5 .08 %       5.   COMP AR I S ON WIT H  M ANUF AC T U RER ’S   D ATA SHEE T   Fu rt her  validat ion  on  the  acc uracy   of  the  s ur ge  ar rester  m odel   was   m ade  by  com par in g  t he  est im at e d   peak   resid ual  vo lt age s  with  t he  m anu factu r er’ s  data.  T he  m easur ed  data  for  the  re sid ua l  vo lt ages  of   t he  12 0   kV   s urge  ar rest er  is  316  kV.  F or   a  10  kA n om inal  discharg e  cur r ent  of  8/ 20   µs ,  the  resi du al   volt ages obtai ned  us in g  t he  or i gin al   dim ension  par am et ers  an d  the   opti m ised   par am et ers  s how  only   sli ght  dev ia ti ons  from   the  m anu fact ur e r’ s  d at a. Rel at ive error s  of  t he  di scharge  vo lt ag es f or the  120 kV  a rr est e r  we re th en dete rm i ned   t o  eval uate t he pr eci sion   of the  a rr est er ’s  c ha rac te risti cs, calcula te d  usi ng:       =   −     × 100%   (2)     wh e re  Vr estimat ed   is  the  est i m a te d  discha r ge  vo lt age  a nd  Vr manufacture r   is  t he  volt age  f rom   the  m anu fa ct ur er ’s   data.   As  ca n  be   obs erv e d  from   Ta ble  6,  the  us e  of   t he  op ti m is ed  par am et er  va lues  in  both  s urge  a rr est e r   m od el s  red uce   the  relat ive  error s  betwee n  the  est i m at ed  and   m anu fact urer ’s  data  of  the  resid ual  vo lt ages.   Fu rt her m or e,  both  opti m ise d  par am et ers  ob t ai ned   f ro m   GS A  an d  ICA  it erati on   m et ho d  al so   repr oduce   the   resid ual  volt ag es  of   t he  12 0  kV   a rr est e r  wit h  lo w  relat ive  error.  The  good  ag reem ent  between   the  e sti m at ed  and  act ual  m ea su rem ent  data  has  dem on strat ed  that  desi gn  op ti m isa t ion   b y  FEA   m od el   i s  a  valid   opti on  f or  fu t ur e a rr e ste r devel op m ent.   Figure  7  s how s  the  el ect ric  fiel d  distri bu ti on  al ong  t he  120  kV  ar rester  s he ds   for  or i gin al   dim ensio n  par am et ers,   G SA   pa ram et ers  and   IC A  par a m et ers  resp ect ively .  A  m ino r  reducti on  in  th e  m axi m u m   electric   fiel d  m agn it ude  was  obser ve d  from   GS A  and   ICA  due  to   the  op ti m ise d   thickness  a nd  relat ive  per m i tt ivit y  values  of   t he  F RP  la ye r  and   si li con e  r ubbe r  hous i ng.  Ba sed  on   t hese  fi gure s,  disc on ti nuit y  of   the  el ect ric fiel d  0 20 40 60 80 100 120 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 x   1 0 5 A r c   l e n g t h E l e c t r i c   f i e l d   n o r m   ( V / m ) L i n e   G r a p h :   E l e c t r i c   f i e l d   n o r m   ( V / m ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Op ti mis atio n o f zi nc oxide s urge  ar reste r  de s ign   us i ng g r avi tati onal se ar ch … ( Syahira h  A bd Hali m )   859   betwee n  the  ho us in g  s hed   a nd   the  ai r  dom ain   wa s  obse rv e d  due  t o  the  diff e ren ce  i n  the   per m it t ivit y  value  of   sil ic on e  r ubbe r   and   ai r .  Com par iso n  bet ween  the  pro po se d  m et ho d  a nd   a  m et a - heu risti c  op ti m isa t ion   m et hod  wh ic h  is  widel y  us ed,   t he  pa r ti cl e  swar m   op tim isa ti on   (P S O)   was  al so   m ad e  [ 12 - 15 ] .  F r om   Table  7,   it   can  be   seen  th at   the  optim isa ti on   m e thods  us in g  IC A  a nd  GSA  yi el d  lo wer   m inim u m   e le ct ric  fiel d  m agn it ud e   than  PSO.  This  s ho ws  that  IC A  a nd   GSA  are  a  bette r  opti m isa ti on   m et ho d  co m par ed  to  PS O.   T he  feat ur e s  wh ic h  m ake  ICA  a nd   GSA   ar e  bette r  tha n  P SO   a re   good  c onve rgence  rate ,  hi gh  qual it y  so luti on  a nd   ca pa bili ti es  in  fin ding local  optim u m .         (a)     (b)     (c)     Figure  7. Ele ct ric fiel d  m agn i tud e al ong  t he she d of   120 k V  arr e ste r usin g;  ( a)  origi nal d i m ension p a ram et ers,   (b) GS A  par a m et ers  and (c ) ICA  pa ram et er s       Table  6.   Re la ti ve  E rrors Be tw een th e  Esti m a te d  a nd Ma nuf act ur er ’s Data   Mod el   Res id u al vo ltag e ( k V)   Relativ e erro r  to   m an u f actu rer ’s data  (%)   Initial    GSA   ICA   Inital    GSA   ICA   1 2 0  kV   3 1 7 .35   3 1 7 .28   3 1 7 .32   0 .42   0 .40   0 .41       0 20 40 60 80 100 120 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 x   1 0 5 A r c   l e n g t h E l e c t r i c   f i e l d   n o r m   ( V / m ) L i n e   G r a p h :   E l e c t r i c   f i e l d   n o r m   ( V / m ) 0 20 40 60 80 100 120 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 x   1 0 5 L i n e   G r a p h :   E l e c t r i c   f i e l d   n o r m   ( V / m ) A r c   l e n g t h E l e c t r i c   f i e l d   n o r m   ( V / m ) 0 20 40 60 80 100 120 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 x   1 0 5 L i n e   G r a p h :   E l e c t r i c   f i e l d   n o r m   ( V / m ) A r c   l e n g t h E l e c t r i c   f i e l d   n o r m   ( V / m ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   1 3 , N o.   3 ,  Ma rc h   201 9   :   8 5 3   –   8 6 0   860   Table  7.   Mi ni m u m   Ele c tric  Fiel d  O btaine d from  I niti al  a nd  Op ti m iz ed  Param et ers   Mod el   Mini m u m   elect ric  f ield  ( k V m m - 1 )   Initial v alu e   GSA op ti m ised   ICA op ti m ised   PSO op ti m ised   1 2 0  kV   0 .98 3 8 2 5   0 .24 6 1 3 0   0 .24 5 2 0 2   0 .25 6 5 6       6.   CONCL US I O N   In   this  wor k,   t he  opti m isa ti on   of  a  12 0  kV  Zn O  surge  a rr e ste r  desig n  m od el   us in g  GSA   and   ICA  has  been   s ucces sf ully   propose d.  The  s urge  ar rester  m od el s  wer e  s uccess f ully   dev el ope d  us in g  fi nite  el e m ent  analy sis  an d  use d  t o  determ i ne  t he  el ect ric   fiel d  distri bu t ion .   By   op ti m iz ing   t he  relat ive  per m it ti vit y  an d  rad i us   of  the  F RP  rod  a nd   th e   sil ic on e  r ubbe r  housi ng,  the  el ect ric  fiel d  intensit y  su rro unding  the  ar rest er  ha s   been  s uccessfu ll y  red uce d  w hi le   m ai ntaining  it s  ph ysi cal   prop e rtie s.  W it h  op ti m ise d  arr e ste r  dim ensions,  the   lowest  c on ce nt rati on   of  the  e le ct ric  fiel d  on   the  surf ace  of   the  ar rester  i nsula ti on   housi ng   can  be  ac hi eved,  wh ic h  in  tu r n  m ay   increase  the  ser vice  li fe  sp a n  of  the  s urge  ar rester.  C om par ison   of  th e  pro po se d  m e thod   sh ows  t hat  the   op ti m ise d  su r ge  ar rester  des ign   m od el   co m pl ie s  with  th e  m anu fact ur e r ’s  te st  data  an d  yi el ds   lowe r  m ini m um  el ect ric  fiel d   m agn it ud e  at   the  ene rg iz e d  e nd   of   th e  surge   arr est er .  It  wa s  al so   fou nd   t ha t  the  m ini m u m  elec t ric fiel d  is  lo w er  us in g ICA t han GSA  and  PSO.       ACKN OWLE DGE MENTS   The   a uthor s  would  li ke  to   ack nowled ge   Faculty   of  En gin eeri ng  a nd  Buil t  En vi ronm ent  an d  Un i ver sit i  Kebangsaa n  Ma la ysi a  for  t he  facil it ie s  and   fina nc ia l  su pp or ts  t hr ough  resea rc h  gr a nt  c ode  num ber   GGPM - 2018 - 056.       REFERE NCE S   [1]     Le e  SB ,   Lee  SJ ,   Le e  BH.  Anal ysis  of  The rm al   and  El ec t rical  Properties  of  ZnO  Arreste r  Bloc k.   Curr ent   Appl ied   Phy sics .   2010; 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