1 BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Sistem tenaga listrik terdiri atas tiga bagian utama, yakni pusat pembangkit, saluran transmisi dan sistem distribusi. Pusat pembangkit listrik ada kalanya berlokasi cukup jauh di luar daerah pelayanan, sehingga diperlukan saluran transmisi jarak jauh sebelum didistribusikan ke konsumen. Penyaluran daya listrik dalam jumlah besar memerlukan tegangan tinggi atau ekstra tinggi dengan tujuan untuk mengurangi rugi-rugi transmisi. Namun di sisi lain, penggunaan tegangan tinggi dan ekstra tinggi dalam penyaluran daya listrik memerlukan suatu isolator yang memiliki kemampuan isolasi yang lebih besar (Berahim, 2005).
Isolator berfungsi untuk mengisolasi konduktor agar supaya tidak terjadi kebocoran arus, juga berfungsi untuk mengisolasi konduktor supaya tidak bersentuhan dengan konduktor lain serta tidak bersentuhan dengan bagian menara, sehingga ketika terjadi gradien medan tinggi, tidak terjadi lompatan listrik atau lewat denyar (flashover) atau percikan (sparkover) (Arismunandar, 1982).
Selama ini isolator dengan bahan keramik, porselen dan gelas telah digunakan secara luas dalam sistem transmisi dan distribusi tenaga listrik.
Sebagian besar isolator digunakan di luar ruangan pada serandang hubung pembangkit, pada gardu induk, transmisi tegangan tinggi, transmisi ekstra tinggi, dan pada distribusi tegangan menengah, sehingga sangat rentan terhadap kondisi cuaca dan faktor-faktor lain yang dapat menurunkan kinerja isolator.
Sejalan dengan perkembangan zaman, pemakaian keramik, porselen dan gelas menunjukkan pemborosan energi, terutama pada proses produksi, juga memiliki kelemahan lain yaitu lebih berat. Kelemahan lain isolator porselen terutama pada bagian permukaannya yang mudah basah, oleh karena itu untuk pemeliharaan isolator porselen yang dipasang melalui daerah yang berpolutan, maka permukaannya dilapisi silicon rubber (Hackam, 1998, Berahim, 2005a), hal ini bertujuan untuk meningkatkan kinerja permukaan isolator kaitannya dengan
sifat hidropobik. Pratomosiwi dan Suwarno (2010) mengusulkan untuk mengurangi arus bocor dan rugi-rugi daya pada isolator keramik, permukaannya dilapisi dengan menggunakan senyawa silikon. Jika permukaan isolator bersifat hidropobik, maka permukaannya akan bersifat menolak air, dengan demikian air cenderung tidak menempel pada permukaan isolator. Oleh karena itu dikembangkan isolator dengan menggunakan bahan polimer.
Polimer sebagai bahan isolasi memainkan peranan yang signifikan karena memiliki sifat fisik dan kimia yang sangat baik (Hall, 1993, Hackam, 1998, Berahim 2006). Generasi pertama yaitu bahan isolasi polimer resin epoksi bisfenol-A (DGEBA) untuk isolator pasangan luar pada tahun 1950, namun masih terdapat kelemahan yaitu permukaannya retak karena tidak tahan terhadap radiasi sinar ultraviolet. Generasi kedua adalah isolator dengan bahan isolasi polimer jenis resin epoksi sikloalifatik tuang, menunjukkan bahwa unjuk kerja resin epoksi sikloalifatik tuang menurun pada kondisi udara berpolusi. Generasi ketiga bahan isolator adalah karet silikon (silicon rubber), namun memiliki kelemahan pada pemakaiaannya yaitu saat melalui daerah yang berpolutan akan mengakibatkan kekasaran dan kerapuhan pada permukaannya. Secara alamiah, kontaminasi akan meluas pada permukaan. Hal ini akan meningkatkan arus bocor terutama jika kontaminasi permukaan basah oleh kabut, embun atau hujan gerimis apalagi hujan asam. Pengaruh kontaminan hujan asam terhadap penuaan yang dipercepat pada sampel bahan isolasi polimer polistiren telah diteliti oleh Wang et al., (2000). Hasil penelitian Wang menunjukkan bahwa surface discharge pada sampel polistiren lebih mudah terjadi pada kontaminan hujan asam dibandingkan dengan NH4Cl. Hasil penelitian Berahim (2006) menunjukkan bahwa penambahan bahan pengisi dapat memperbaiki kinerja terutama meningkatkan sudut kontak hidropobik, pengurangan ESDD dan arus bocor permukaan dari bahan isolasi RTV resin epoksi masing-masing sekitar 35%. Hasil penelitian yang telah dilakukan, menyatakan bahwa bahan isolasi polimer resin epoksi dengan kode sampel RTV24 mempunyai kinerja optimal di daerah polusi dan iklim tropis.
Pemilihan resin epoksi dengan bahan dasar diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA), dan agen pematangan meta phenylene diamine (MPDA) sebagai
alternatif isolator berbahan isolasi polimer karena dia memiliki kekuatan dielektrik (E) yang tinggi yaitu 24-25 MV/m, resistansi volume () 1013 – 1015
.m, konstanta dielektrik () pada frekuensi 50/60 Hz, adalah 3,5-3,9 dan disipasi dayanya rendah (tan ) yaitu (35-90) x 10-4. Namun bahan resin epoksi ini masih memiliki kelemahan yaitu permukaannya bersifat hidrofilik sehingga mudah ter- basahi oleh air. Untuk meningkatkan kinerja resin epoksi agar permukaannya menjadi bersifat hidrofobik, ditambahkan polydimethylsiloxane jenis silicon rubber. Sifat-sifat yang dimiliki polisiloksan antara lain kekuatan dielektrik tinggi yaitu 20-30 MV/m, konstanta dielektrik () pada frekuensi 50/60 Hz, yaitu 2,5-3,2 dan disipasi dayanya rendah (tan ) yaitu (4-25 ) x 10-4 dan mampu meningkatkan kemampuan menolak air (Raju 2003). Penambahan silicon rubber dalam jumlah banyak mampu meningkatkan sifat hidrofobik permukaan, namun kekuatan mekanisnya menjadi berkurang. Untuk meningkatkan kekuatan mekanis bahan resin epoksi maka ditambah dengan bahan pengisi yaitu pasir silika (SiO2) dengan harapan bahan isolasi resin epoksi ini memiliki kekuatan mekanis yang tinggi yaitu kuat tarik dan kuat tekannya. Jika pasir silika yang ditambahkan semakin banyak maka secara mekanis kekuatannya meningkat, tapi di sisi lain akan menurunkan sifat hidrofobik permukaan. Oleh karena itu, perlu dilakukan suatu penelitian untuk memperoleh suatu komposisi bahan pengisi campuran silicon rubber dan silika yang tepat pada bahan resin epoksi yang nantinya akan digunakan sebagai bahan isolator tegangan tinggi.
Untuk mengetahui kinerja permukaan bahan resin epoksi berbahan pengisi campuran silicon rubber dan silika dibawah kondisi penuaan, maka dilakukan uji jejakan listrik (electrical tracking) mengacu pada metode uji Inclined Plane Tracking sesuai standar IEC 587, dengan durasi penerapan tegangan selama 6 menit, 12 menit dan 18 menit. Penelitian kinerja bahan resin epoksi di bawah kondisi penuaan juga telah diteliti oleh Berahim (2005a) dan Jaya (2012) menggunakan penuaan alamiah dan penuaan buatan di laboratorium selama 96 jam dengan sinar ultra violet.
Kondisi permukaan bahan resin epoksi berbahan pengisi campuran silicon rubber dan silika ketika kondisi masih baru dan kondisi setelah mengalami penu-
aan dilakukan pengamatan dengan menggunakan parameter fisis yaitu sudut kon- tak permukaan, parameter elektris yaitu dengan mengukur tahanan permukaan (surface resistance), parameter gugus fungsional yaitu dengan menggunakan data- data hasil pengukuran FTIR, serta kondisi morfologi permukaan dengan menggunakan gambar hasil foto SEM. Data-data hasil pengukuran pada bahan resin epoksi yang diperoleh baik sebelum penuaan maupun sesudah penuaan digunakan untuk analisis degradasi permukaan akibat electrical tracking, dalam upaya untuk memperoleh komposisi bahan pengisi yang tepat pada bahan resin epoksi sebagai bahan isolator tegangan tinggi.
1.2 Rumusan dan Batasan Masalah 1.2.1 Rumusan masalah
Berdasarkan uraian yang telah dikemukakan pada bagian latar belakang, maka yang menjadi permasalahan adalah:
1. Bahan resin epoksi memiliki beberapa kelebihan, namun masih memiliki kelemahan yaitu permukaannya bersifat hidrofilik sehingga mudah terbasahi oleh air, maka perlu ditambahkan silicon rubber.
2. Penambahan silicon rubber dalam jumlah banyak mampu meningkatkan sifat hidrofobik permukaan, namun kekuatan mekanisnya berkurang.
3. Penambahan silika untuk meningkatkan kekuatan mekanis, tapi di sisi lain menurunkan sifat hidrofobik permukaan.
4. Penuaan listrik berupa electrical tracking mengakibatkan degradasi per- mukaan bahan resin epoksi, sehingga perlu dicari komposisi yang tepat dari bahan pengisi campuran silicon rubber dan silika pada resin epoksi setelah mengalami penuaan.
1.2.2 Batasan masalah
Mengingat luasnya materi yang terkait kinerja bahan resin epoksi berbahan pengisi campuran silicon rubber dan silika ini, maka perlu diberikan batasan ruang lingkup penelitian sebagai berikut:
1. Bahan polimer resin epoksi yang digunakan adalah DGEBA dan MPDA komersial dengan merek dagang Eposchon
2. Silicon rubber yang digunakan adalah jenis silicon rubber RTV 55 yang dijual secara komersial.
3. Silika yang digunakan diperoleh dari Lab. Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada yang telah dihaluskan di Lab. Keramik, Teknik Kimia, Universitas Gadjah Mada dengan ball mill lalu diayak dengan ukuran 325 mesh.
4. Persentase bahan pengisi silicon rubber dengan silika yang dicampurkan kedalam resin epoksi adalah 10%, 20%, 30%, 40 dan 50% terhadap massa total.
Jika massa total adalah 100 gram, maka 10% artinya campuran bahan pengisi silicon rubber dan silika 10 gram, sedangkan resin epoksinya 90 gram.
5. Proses pembuatan sampel uji bahan isolator dilakukan pada suhu ruang (room temperature vulcanized: RTV)
6. Pengujian electrical tracking pada bahan uji mengacu pada standar IEC 587:1984 selama 6 menit, 12 menit dan 18 menit. Arus bocor yang mengalir dan tegangan selama berlangsung pengujian direkam selama waktu tersebut, selanjutnya digunakan untuk menghitung energi.
7. Analisis degradasi permukaan didasarkan pada data hasil ukur, a) sudut kontak permukaan bahan, b) tahanan permukaan, c) data rekam FTIR (fourier transform infrared), d) foto SEM (Scanning Electron Micrscope), dan e) energi yang diperlukan untuk terjadi electrical tracking pada permukaan bahan.
1.3 Keaslian Penelitian
Beberapa penelitian tentang degradasi permukaan akibat penjejakan listrik yang telah dilakukan para peneliti yang terkait dengan keaslian penelitian untuk disertasi ini diuraikan berikut ini.
Wang et al. (2000) meneliti pengaruh kontaminan hujan asam terhadap penuaan yang dipercepat pada sampel bahan polistiren dengan menggunakan metode Inclined Plane Tracking mengacu pada standar IEC 587. Hasil penelitian
menunjukkan bahwa waktu yang diperlukan untuk terjadi surface discharge pada sampel polistiren lebih cepat dengan menggunakan kontaminan hujan asam dibandingkan dengan menggunakan kontaminan NH4Cl. Hal ini menunjukkan bahwa kontaminan hujan asam mempercepat penuaan pada bahan isolator.
Sarathi (2002) meneliti pengaruh kontaminan hujan asam terhadap waktu tracking dengan menggunakan bahan HDPE (High Density Poly Ethylene).
Pengujian dilakukan dengan menggunakan kontaminan NH4Cl dan kontaminan hujan asam dengan menggunakan metode Inclined Plane Tracking mengacu pada standar IEC 587. Hasil penelitian menunjukkan bahwa waktu terjadinya tracking dengan menggunakan kontaminan hujan asam lebih cepat dibandingkan dengan menggunakan kontaminan NH4Cl. Bahan polimer HDPE cocok untuk aplikasi isoalasi pada peralatan tegangan rendah.
Piah et al. (2005) melaukan penelitian dengan menggunakan bahan polimer LLDPE (Linear Low Density Poly Ethylene) yang dicampur dengan NR (Natural Rubber). Penelitian dilakukan untuk mengamati peristiwa electrical tracking menggunakan metode Inclined Plane Tracking mengacu pada standar IEC 587 dengan kontaminan NH4Cl. Hasil penelitian menunjukkan bahwa komposisi rasio berat LLDPE 80% dan NR 20% merupakan komposisi senyawa terbaik untuk ketahanan tracking karena memiliki kondisi tingkat kerusakan yang paling rendah.
Suwarno dan Ardianto (2006) mengamati kinerja bahan resin epoksi berukuran 250 x 50 x 20 mm3 menggunakan kontaminan dengan konduktivitas antara 0,6 mS/cm - 4,0 mS/cm. Parameter yang diamati adalah arus bocor, tahanan pemukaan dan waktu peluahan permukaan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa isolator resin epoksi kondisi kering memiliki sudut kontak kurang dari 90o dan kelembaban sedikit berpengaruh terhadap magnitude arus bocor. Dalam kondisi terpolusi dan kelembaban tinggi, tahanan permukaan isolator resin epoksi menurun secara signifikan dan sangat berpengaruh terhadap magnitude dan arus bocor.
Farhadinejad dan Ehsani (2012) juga telah meneliti pengaruh radiasi UV terhadap perilaku termal, elektrik dan morfologi isolator Silicon Rubber. Hasil
penelitian menunjukkan bahwa arus bocor permukaan isolator lebih besar pada saat dikenai larutan kontaminan dan pengaruh UV dibandingkan kalau hanya dikenai UV saja. Hal ini menunjukkan bahwa kombinasi polutan dan UV mengakibatkan kenaikan arus bocor secara ekstrim pada permukaan isolator.
Du et al. (2012) meneliti pengaruh konsentrasi nanokomposit Epoxy/TiO2 terhadap kegagalan tracking dengan menggunakan tegangan tinggi DC. Dalam penelitian ini partikel nano TiO2 dicampurkan ke dalam epoksi murni untuk memperoleh Epoksi/TiO2 dengan rasio berat 1%, 3%, 5% dan 7 %. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan konsentrasi 0% - 5% jumlah drops untuk terjadi kerusakan tracking cenderung meningkat dan kedalaman erosi menunjukkan kecenderungan menurun. Namun untuk konsentrasi 5% - 7%
menunjukkan kecenderungan meningkat. Hasil penelitian menunjukkan bahwa ketahanan tracking bahan epoksi bisa diperbaiki dengan menambahkan partikel nano TiO2.
Liu et al. (2013) meneliti pengaruh pemberian fluorin pada pemukaan resin epoksi terhadap konduktivitas permukaan dengan suhu fluorinasi 25oC, 55oC, 75oC dan 95oC dengan waktu pengujian sama yaitu 30 menit. Analisis ATR-IR menunjukkan bahwa fluorinasi mengawali perubahan mendasar pada komposisi dan struktur kimia permukaan tergantung suhu fluorinasi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa permukaan dengan fluorinasi memiliki konduktivitas yang lebih tinggi dibandingkan sampel tanpa fluorinasi. Demikian juga, semakin tinggi suhu fluorinasi maka semakin konduktiv permukaan sampel resin epoksi.
Ghunem et al. (2013) meneliti peristiwa erosi pada bahan komposit Silicon Rubber dengan menggunakan metode uji Inclined Plane Tracking dengan menerapkan tegangan tinggi AC dan DC. Bahan uji komposite Silicon Rubber berisi 0%, 10% dan 30% bahan pengisi silika. Berdasarkan hasil penelitian menunjukkan bahwa perlu dilakukan perbaikan komposisi Silicon Rubber pada tegangan tinggi DC.
Nurlailati (2010) meneliti degradasi permukaan bahan isolasi resin epoksi dengan variasi komposisi DGEBA dan MPDA, dilanjutkan oleh Ika N. Anggraini
(2010) meneliti degradasi permukaan bahan isolasi resin epoksi dicampur dengan silicon rubber.
Penelitian ini dilakukan untuk memperoleh komposisi bahan pengisi cam- puran silicon rubber dan silika yang tepat pada bahan resin epoksi sebagai bahan isolator tegangan tinggi, setelah mengalami degradasi permukaan akibat penuaan listrik dengan uji electrical tracking.
Adapun keaslian penelitian ini:
1. Penuaan listrik yang digunakan yaitu dengan menggunakan metode Inclined Plane Tracking yang mengacu pada standar IEC 60-587 tahun 1984. Peneliti
terdahulu telah melakukan penelitian degradasi bahan resin epoksi dengan penuaan alamiah dan penuaan buatan di laboratorium (Berahim, 2005a) dan (Jaya, 2012).
2. Analisis degradasi pada permukaan bahan resin epoksi berbahan pengisi cam- puran silicon rubber dan silika dengan menggunakan parameter tahanan per- mukaan (surface resistance). Ini yang berbeda dengan peneliti terdahulu yang menggunakan analisis sudut kontak permukaan, analisis gugus fungsional ba- han menggunakan FTIR dan analisis kondisi morfologi bahan menggunakan foto SEM.
1.4 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah:
1. Melakukan analisis degradasi permukaan akibat electrical tracking pada ba- han resin epoksi untuk memperoleh suatu bahan pengisi campuran silicon rubber dan silika yang tepat untuk digunakan sebagai bahan pembuat isolator tegangan tinggi.
2. Melakukan analisis pengaruh variasi komposisi bahan pengisi campuran sili- con rubber dan silika terhadap sudut kontak permukaan, tahanan permukaan
dan morfologi permukaan bahan resin epoksi.
3. Melakukan analisis pengaruh electrical tracking terhadap sudut kontak, tahan- an permukaan, gugus fungsional bahan dan kondisi morfologi permukaan ba- han resin epoksi.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat yang diperoleh dari hasil penelitian ini adalah:
1.5.1 Manfaat untuk pembangunan negara
Kontribusi sumbangan hasil penelitian ini bagi pembangunan negara adalah:
1. Penyempurnaan unjuk kerja bahan resin epoksi dengan bahan pengisi silicon rubber dan silika yang akan digunakan sebagai bahan isolator tegangan tinggi dengan menganalisis degradasi permukaan setelah mengalami electrical track- ing.
2. Mengembangkan suatu metodologi yang dapat digunakan untuk mengevaluasi ketahanan permukaan bahan isolasi terhadap jejakan listrik (electrical tracking) dan erosi yang dapat digunakan untuk pengembangan penelitian bagi peneliti lain yang sebidang.
1.5.2 Manfaat untuk ilmu pengetahuan
Kontribusi sumbangan hasil penelitian ini bagi ilmu pengetahuan meliputi bukti-bukti ilmiah berikut :
1. Pengembangan material berupa penemuan material baru dengan komposisi bahan pengisi campuran silicon rubber dan silika 30% (kode RTV23) yang dapat digunakan sebagai bahan untuk membuat isolator tegangan tinggi.
2. Telah berhasil dikembangkan dan diimplementasikannya suatu metode Inclined Plane Tracking yang mengacu pada standar IEC 587:1984 sebagai suatu metode yang digunakan untuk mengevaluasi ketahanan permukaan bahan isolasi terhadap jejakan listrik (electrical tracking) dan erosi pada saat dialiri kotaminan, yang berguna untuk pengembangan pendidikan dan penelitian lebih lanjut di bidang isolasi.
