BAB II
MINYAK ISOLASI
II.1. UMUM
Bahan isolasi cair merupakan bahan pengisi pada beberapa peralatan listrik. Bahan isolasi cair ini biasanya digunakan pada peralatan seperti transformator, pemutus beban, rheostat. Bahan isolasi cair memiliki dua fungsi yaitu sebagai pemisah antara bagian yang bertegangan atau pengisolasi dan juga sebagai pendingin. Oleh karena itu agar dapat digunakan, isolasi cair harus memiliki tegangan tembus yang tinggi sebagai salah satu syaratnya. [4]
Adapun sifat-sifat listrik yamg menentukan kerja bahan isolasi cair adalah : 1. Withstand Breakdown
Kemampuan untuk tidak mengalami ketembusan dalam kondisi tekanan listrik ( electric stress) yang tinggi.
2. Kapasitansi listrik per unit volume yang menentukan permitivitas relatifnya
Hal ini dapat dilihat dari persamaan berikut :
D = ɛ . E ...( 2.1)
ɛ = Konstanta dielektrik ( r . ɛɛ0) E = Medan listrik ( N/C)
Dimana diketahui bahwa D = , sehingga persamaan diatas menjadi
=
ɛ . E
...(2.2) Dengan Q = Muatan listrik (C)Selanjutnya diketahui nilai Q = C.V, maka persamaan menjadi :
=
ɛ . E
...(2.3)Dengan C = Kapasitansi (C/Volt) V = Tegangan (Volt) Maka diperoleh persamaan :
C =
...(2.4) Pada minyak petroleum biasanya memiliki permitivitas relatif 2 sampai 2,5 sedangkan untuk minyak silikon 2 sampai 73 dan asrekal 4,5 sampai 5,0.[5]3. Faktor daya
Faktor dissipasi daya dari minyak dibawah tekanan bolak-balik dan tinggi akan menentukan kerja dari bahan isolasi cair, karena dalam kondisi berbeban terdapat sejumlah rugi-rugi dielektrik. Faktor dissipasi sebagai ukuran rugi-rugi daya merupakan parameter yang penting bagi kabel dan kapasitor. Misalnya minyak transformator murni memiliki faktor dissipasi
yang bervariasi antara 10-4 pada suhu 20 oC dan 10-3 pada 90 oC pada frekuensi 50 Hz. [5]
4. Resistivitas
Suatu cairan dapat digolongkan sebagai isolasi cair bila resistivitasnya lebih besar dari 109 Ω-m. Pada sistem tegangan tinggi, resistivitas yang diperlukan untuk material isolasi adalah 1016Ω-m atau lebih.
II.2. JENIS – JENIS MINYAK ISOLASI
Minyak isolasi biasanya terdiri dari beberapa jenis, berdasarkan bahan pembuatnya, minyak isolasi terdiri dari, minyak isolasi yang berasal dari olahan minyak bumi, yang saat ini banyak digunakan dan yang saat ini banyak diteliti adalah minyak isolasi berasal dari tumbuh-tumbuhan atau disebut minyak nabati ( minyak organik).
II.2.1 Minyak Isolasi Yang Berasal Dari Olahan Minyak Bumi
II.2.1.1. Minyak isolasi mineral II.2.1.2. Minyak isolasi sintesis
II.2.2. Minyak Nabati (minyak organik) Yang Memiliki Potensi Sebagai Minyak Isolasi
II.2.2.1. Minyak jarak
II.2.2.2. Minyak kelapa murni (Virgin Coconut Oil) II.2.2.3. Minyak kelapa sawit (Crude Palm Oil) II.2.2.4. Minyak kedelai
II.2.1. Minyak Isolasi Yang Berasal Dari Olahan Minyak Bumi II.2.1.1. Minyak Isolasi Mineral
Minyak isolasi mineral adalah minyak yang berasal dari minyak
bumi yang diproses secara destilasi. Minyak bumi yang telah didestilasi ini, harus mengalami beberapa proses lagi untuk mendapatkan tahanan isolasi yang tinggi, stabilitas panas yang baik, serta memenuhi syarat-syarat teknis yang lain.
Minyak isolasi mineral umumnya banyak digunakan pada peralatan tegangan tinggi seperti :
- Transformator daya - Kapasitor daya - Kabel daya
- Circuit breaker (pemutus daya)
Dalam hal ini minyak isolasi berfungsi sebagai bahan dielektrik, bahan pendingin dan pemadam busur api. [3]
II.2.1.2. Minyak Isolasi Sintesis
Minyak isolasi sintesis adalah minyak isolasi yang diproses secara kimia untuk mendapatkan karakteristik yang lebih baik dari minyak isolasi mineral.
Namun minyak isolasi sintesis memilki beberapa kelemahan, yaitu sifatnya mudah beroksidasi dengan udara, mengalami pemburukan yang cepat dan sifat kimianya bisa berubah akibat kenaikan temperatur, serta tidak dapat
terurai sempurna, sehingga apabila mengalami kebocoran bisa menimbulkan pencemaran lingkungan.
Berikut ini beberapa contoh dari minyak isolasi sintesis :
a. Askarel
Askarel adalah minyak isolasi sintesis yang tidak mudah terbakar apabila terjadi percikan api dan tidak menghasilkan gas yang mudah terbakar. Salah satu jenis dari asrekal yang sering digunakan adalah jenis clorinated hydrokarbon.
kelebihan yang dimiliki dari minyak jenis ini adalah : - Kekuatan dielektriknya tinggi
- Sifat thermal, sifat kimia, dan sifat listriknya relatif stabil Namun kekurangan dari minyak ini adalah, apabila terjadi percikan api dapat mengahasilkan asam klorida (HCL) yang bersifat korosif pada logam.
b. Silikon cair (silicon liquids)
Silikon cair adalah minyak yang berasal dari campuran atom silikon (si) dan oksigen (02) dengan bahan organik seperti methyl dan phenyl. Minyak ini memiliki beberapa kelebihan, yaitu :
- Mempunyai ketahanan yang baik pada temperatur tinggi, yaitu berkisar 200oC.
- Permitivitasnya rendah ( 2,20 – 2,27)
- Tahan terhadap tegangan dengan frekuensi tinggi, hingga 1 Mhz
Kekurangan dari minyak ini adalah :
- Dapat menghasilkan gas yang banyak apabila terjadi percikan api, sehingga menurunkan kekuatan dielektriknya
- Harganya relatif mahal, sehingga jarang digunakan untuk transformator berdaya besar
c. Flourinasi cair (Flourinated Liquids)
Minyak ini berbahan dasar senyawa organik yang sebagian atom karbonnya telah digantikan oleh flour organik. Minyak ini memiliki kelebihan :
- Sifat kimianya yang sangat stabil dan dapat digunakan secara kontinuitas pada suhu 200oC dan bahkan lebih
- Mempunyai transfer panas yang baik daripada minyak isolasi mineral dan minyak isolasi silikon
Adapun kekurangan dari minyak ini adalah :
- Penurunan sifat-sifat dielektrik yang disebabkan oleh kandungan air
- Mempunyai sifat mudah menguap
d. Ester sintesis
Minyak in adalah minyak yang diolah sedemikian rupa dari minyak parafin untuk memperoleh karakteristik yang lebih baik, sehingga mempunyai sifat-sifat seperti berikut :
- Mempunyai sifat thermal yang baik - Tidak mudah terbakar
II.2.2. Minyak Nabati (Minyak Organik) Yang Memiliki Potensi Sebagai Minyak Isolasi
II.2.2.1. Minyak Jarak
Minyak jarak adalah minyak yang diperoleh dari ekstraksi biji tanaman jarak (Jatropha curcas). Minyak ini tergolong kedalam minyak nabati. Minyak jarak memiliki warna kuning pucat dan bau yang cukup menyengat. Agar bau tersebut dapat direduksi, minyak tidak boleh dibiarkan terbuka dalam waktu yang lama pada suhu diatas 40 0C.
(a) (b)
Gambar 2.1. (a) Tumbuhan Jarak (b) Minyak jarak
Pembuatan minyak jarak yang digunakan saat ini adalah dengan metode pengepresan. Pertama biji jarak yang sudah tua, di jemur selama 3 hari hingga kulitnya akan pecah dengan sendirinya. Untuk memisahkan bagian biji dengan kulinya digunakan alat pemisah biji, hal ini dilakukan untuk mendapatkan biji utuh yang lebih banyak[9]. Biji yang sudah dipisahkan dari cangkangnya kemudian diberi pemanasan pendahuluan, yaitu berupa pemanasan dengan uap pada suhu 170 oC selama 30 menit, pemanasan dengan
oven pada suhu 105 oC selama 30 menit serta pemanasan dengan penggongsengan biji sehingga biji cukup panas untuk dilakukan pengepresan. Pengepresan dilakukan dengan alat pengepres hidraulik. Daging biji yang telah dipanaskan, dimasukkan ke dalam kain saring, untuk selanjutkan dipress dalam alat pengepres hidraulik, untuk menghasilkan minyak jarak. [6]
II.2.2.2. Minyak Kelapa Murni
Minyak kelapa murni atau virgin coconut oil (VCO) adalah minyak yang terbuat dari daging kelapa segar. VCO berbeda dengan minyak goreng biasa, karena VCO dihasilkan dengan tidak menambahkan bahan kimia dalam pembuatannya. VCO memiliki warna yang bening dan bau yang tidak menyengat.
Gambar 2.2. Minyak Kelapa Murni (VCO)
Proses pembuatan VCO, dimulai dari pemarutan kelapa yang kemudian diberi air lalu diperas,sehingga menghasilkan santan. Santan tersebut kemudian disaring. Untuk kemudian diproses dengan beberapa cara, salah satunya adalah dengan metode sentifugasi. Santan yang telah disaring tadi lalu
dimasukkan ke dalam alat sentrifugasi, sehingga menghasilkan tiga lapisan, yaitu lapisan protein, air dan minyak. Terbentuknya tiga lapisan ini karena perbedaan berat jenis dari masing-masing komponen santan. Lapisan paling atas adalah lapisan minyak yang diinginkan atau VCO. [7]
II.2.2.3. Minyak Kelapa Sawit (CPO)
Crude Palm Oil (CPO) merupakan hasil olahan dari daging buah kelapa sawit melalui proses perebusan Tandan Buah Segar (TBS), perontokan, dan pengepresan. CPO ini diperoleh dari bagian mesokarp buah kelapa sawit yang telah mengalami beberapa proses, yaitu sterilisasi, pengepresan, dan klarifikasi.
(a) (b)
Gambar 2.3. (a) Buah Kelapa Sawit (b) Minyak CPO
proses pembuatan CPO, dimulai dengan mensterilkan tandan dengan memberikan steam/uap air ke dalam mesin sterlizier, setelah itu buah dipisahkan dari tandan dengan menggunakan alat pemipil (striper), buah yang telah dipisahkan dari tandan ini, kemudian dihancurkan, untuk selanjutnya diekstraksi dengan menggunakan alat pengempa, sehingga dihasilkanlah
minyak kelapa sawit. Namun minyak ini masih banyak pengotornya, oleh sebab itu minyak tersebut harus dilakukan penjernihan dengan cara disaring getar, untuk menghilangkan serabut, selanjutnya dipanaskan hingga suhu 90 – 100 OC, setelah itu baru diendapkan, sehingga dihasilkanlah minyak CPO yang baik. [8]
II.2.2.4. Minyak Kedelai
Minyak kedelai adalah minyak yang diperoleh dari ekstraksi biji kedelai. Minyak ini memilki warna kuning cerah serta bau yang tidak begitu menyengat, bila diproses dengan baik.
(a) (b)
Gambar 2.4. (a) Biji kedelai (b) Minyak kedelai
Proses pembuatan minyak kedelai dimulai dari menguliti biji kedelai, setelah itu biji dihancurkan dengan melakukan pemanasan pada suhu 74 – 79 OC selama 30 – 60 menit, agar kulit kedelai dapat mengelupas dan butir-butir minyak dapat berkumpul, sehingga memudahkan dalam proses ekstraksi. Proses ekstraksi dilakukan dengan cara dipress menggunakan pengepress hidraulic. Minyak yang dihasilkan ini , harus dilakukan pemurnian
lagi, untuk mendapatkan minyak kedelai yang baik. Pemurnian dilakukan dengan cara filtrasi untuk menghilangkan kotoran yng tidak terlarut. [9]
`II.3. PENGGUNAAN MINYAK ISOLASI MINERAL
Minyak yang biasa digunakan untuk isolasi cair adalah minyak mineral yang diperoleh dengan pemurnian minyak mentah. Penggunaan minyak isolasi biasa pada peralatan tegangan tinggi, yang digunakan sebagai bahan dielektrik, bahan pendingin, dan bahan pemadam busur api. Berikut ini akan diuraikan penggunaan minyak isolasi pada beberapa peralatan tegangan tinggi, antara lain :
a. Transformator daya
Penggunaan tranformator daya dalam sistem tenaga listrik memungkinkan terpilihnya tegangan yang sesuai dengan kebutuhan dan ekonomis untuk tingkat- tingkat keperluan, misalnya kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya listrik jarak jauh.
Transformator memerlukan minyak isolasi sebagai bahan pengisolasian bagian-bagian dari transformator, seperti isolasi antar belitan, belitan inti, dan belitan dengan badan (casing) transformator. Disamping itu juga, minyak isolasi berfungsi sebagai bahan pendingin atau menyalurkan panas ke sirip-sirip transformator, serta sebagai pemadam busur api apabila terjadi percikan-percikan dalam belitan transformator.
b. Kapasitor daya
Kapasitas daya banyak digunakan pada peralatan-peralatan tenaga listrik, baik yang berfungsi sebagai filter, perbaikan faktor daya, maupun untuk penyearah tegangan tinggi. Pemasangan kapasitor pada sistem tegangan listrik menimbulkan daya reaktif untuk memperbaiki faktor daya dan tegangan, karenanya menambah kapasitansi sistem dan mengurangi rugi-rugi daya dan tegangan.
Penggunaan minyak isolasi pada kapasitor berfungsi sebagai bahan dielektrik, sebagai pendingin, dan sebagai pencegah terjadinya rongga udara di antara elektroda kapasitor. Sifat-sifat yang harus dimiliki minyak isolasi pada suatu kapasitor adalah faktor daya dielektrik ( Tg δ ) yang rendah, viskositas yang rendah, dan sifat penyalaan yang rendah.
c. Kabel daya
Penggunaan minyak isolasi pada kabel daya adalah sebagai bahan isolasi antar perisai konduktornya dengan isolasi terluarnya. Minyak isolasi juga berfungsi sebagai bahan pendingin pada kabel daya.
Sifat-sifat yang harus dimiliki isolasi pada kabel daya adalah viskositas minyak isolasi harus rendah, tahanana isolasi tinggi, koefisien muai yang rendah, dan tidak bereaksi dengan asam atau alkali pada suhu kerja, serta bebas dari kandungan gas.
d. Pemutus tenaga ( Circuit Breaker)
Jenis pemutus tegangan yang biasa dipakai dalam sistem tenaga listrik adalah jenis pemutus udara, pemutus minyak, pemutus hampa udara, dan jenis pemutus gas elektronegatif (SF6).
Pemadaman busur api saat bekerjanya pemutus tenaga sangat penting sekali, karena busur api tersebut dapat merusak peralatan maupun komponen-komponen pemutus tenaga itu sendiri. Minyak isolasi pada pemutus tenaga berfungsi sebagai pemutus busur api tersebut. Sifat-sifat yang harus dimiliki minyak isolasi pad peralatan pemutus tenaga adalah sifat penyalaan yang rendah dan tidak menimbulkan perkaratan pada peralatan. [10]
II.4. MEKANISME KEGAGALAN ISOLASI CAIR
Jika suatu tegangan dikenakan terhadap dua elektroda yang dicelupkan kedalam cairan (isolasi) maka terlihat adanya konduksi arus yang kecil. Jika tegangan dinaikkan secara kontinyu maka pada titik kritis tertentu akan terjadi lucutan diantara kedua elektroda. Lucutan dalam zat cair ini akan terdiri dari unsur-unsur sebagai berikut :
1. Aliran listrik yang besarnya ditentukan oleh karakteristik rangkaian
2. Lintasan cahaya yang cerah dari elektroda yang satu ke elektroda yang lain.
3. Terjadi gelembung gas dan butir butir zat padat hasil dekomposisi zat cair 4. Terjadi lubang pada elektroda
Mekanisme kegagalan isolasi cair adalah mekanisme yang memerlukan suatu penyebab, seperti kondisi elektroda, keadaan dari isolasi cair itu sendiri, serta adanya benda-benda asing (gelembung dan partikel padat) dalam isolasi cair. Beberapa teori telah dibuat untuk menjelaskan mekanisme kegagalan isolasi cair, yaitu :
1. Mekanisme Tembus Listrik Gelembung Gas
Gelembung gas timbul dikarenakan beberapa hal, yaitu :
- Permukaan elektroda yang tidak rata, sehingga terdapat rongga atau celah udara di permukaannya.
- Adanya tabrakan yang tidak rata, sehingga terdapat rongga atau celah udara di permukaannya
- Penguapan isolasi cair karena percikan bunga api pada elektroda yang tajam dan tidak teratur.
- Perubahan suhu dan tekanan pada isolasi cair
Gelembung tersebut mempunyai kuat medan listrik (Eg) yang dinyatakan dalam rumus
E
g=
E
0...(2.5)Dimana, ɛ1 = permitivitas minyak isolasi
Jadi proses kegagalan terjadi apabila nilai Eg melebihi nilai dari kekuatan dielektrik gas, sehingga gas yang berada pada gelembung mengalami tembus listrik. Hal ini mennyebakan penguraian zat cair yang menimbulkan gelembung-gelembung gas yang baru ( Gambar 2.5).
E
A K
Gambar 2.5. Timbulnya Gelembung-gelembung Baru
Gelembung-gelembung tersebut akan mengikuti arah dari medan listrik, sehingga akan terjadi barisan gelembung gas yang akan menjembatani kedua elektroda, sehingga terjadi tembus listrik.
E
A K
2. Mekanisme Tembus Listrik Butiran Padat
Butiran padat biasanya berasal dari udara atau debu, jika butiran padat tersebut dikenai oleh medan listrik, maka butiran terdsebut akan mengalami gaya (F) yang dinyatakan dalam rumus :
F=
gradE2...(2.6)
Dimana, ɛ1 = permitivitas minyak isolasi r = jari-jari butiran padat ɛ2 = permitivitas butiran padat E = kuat medan listrik Jika ɛ2 > ɛ1 , F searah dengan E
Jika ɛ2 < ɛ1 , F berlawanan arah dengan E
Butiran padat tersebut akan bergerak dan menghubungkan kedua elektroda. apabila butiran tersebut bersifat kondiktor, maka akan terjadi tembus listrik (Gambar 2.7)
E
A K
3. Mekanisme Tembus Listrik Butiran Cair
Bola cair tercipta karena adanya air dalam minyak isolasi, jadi proses tembus listrik dimulai dari bola cair yang tidak stabil karena dikenai oleh medan listrik, bola cair yang tidak stabil ini akan memanjang atau melonjong ( spheroid) searah dengan medan listrik yang diberikan (Gambar 2.8).
E
Gambar 2.8. Bola Cair Yang Memanjang/Melonjong Searah Medan Listrik
Bola cair tersebut akan memenuhi dua pertiga dari celah elektroda sehingga terjadi lah kanal peluahan yang menyebabkan tembus listrik terjadi (Gambar 2.9). [11]
E
A K
II.5. KEKUATAN DIELEKTRIK
Suatu dielektrik tidak mempunyai elektron-elektron bebas, melainkan elektron-elektron yang terikat pada inti atom unsur yang membentuk dielektrik tersebut. Pada Gambar 2.10 ditunjukkan suatu bahan dielektrik yang ditempatkan di antara dua elektroda piring sejajar. Apabila kedua elektroda tersebut diberi tegangan searah V, maka timbul medan elektrik (E) di dalam dielektrik. Medan elektrik ini memberikan gaya kepada elektron-elektron agar terlepas dari ikatannya dan menjadi elektron-elektron bebas. Dengan lain medan elektrik merupakan beban terhadap dielektrik agar berubah sifatnya menjadi konduktor. V -+ E Elektroda Elektroda Dielektrik
Gambar 2.10 Medan Elektrik Dalam Dielektrik
Beban yang dipikul dielektrik ini disebut terpaan medan elektrik. Setiap dielektrik mempunyai batas kemampuan untuk memikul terpaan elektrik. Jika terpaan elektrik melebihi batas dan berlangsung cukup lama, maka dielektrik akan menghantarkan arus atau gagal dalam melaksanakan fungsinya sebagai isolator. Hal ini disebut sebagai tembus listrik atau “breakdown”. Jadi Kekuatan dielektrik bisa diartikan terpaan elektrik tertinggi yang dapat dipikul suatu dielektrik tanpa menyebabkan dielektrik tersebut breakdown. Jika suatu dielektrik mempunyai kekeuatan dielektrik Ek , maka
Pada penerapan tegangan kekuatan dielektrik didefinisikan sebagai perbandingan antara tegangan yang menyebabkan kerusakan atau tembus listrik (V) dengan tebal isolasi (d) yang memisahkan antara elektroda [12] .Hal ini dapat dilihat pada persamaan :
E = ...(2.5)
Dengan :
E = Kuat medan listrik yang dapat ditahan oleh dielektrik (kV/cm) V = Tegangan maksimum yang dibaca alat ukur ( kV)
d = Tebal isolasi (cm)
