1
Kinerja Permukaan Bahan Isolasi Low Density
Polyethylene (LDPE)
Arif Jaya
1, Syamsir
21,2,
Staf Pengajar, Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Muslim Indonesia, Jln. Urip Sumoharjo 90231 INDONESIA (telp: 0411-443685; fax: 0411-443685; e-mail: arief.jaya@umi.ac.id ; syamsir.syamsir@umi.ac.id
ABSTRACT
This paper presents the effect of Sodium Chloride (NaCl) pollutant on the LDPE insulation material surface towards the flashover voltage performance and surface contact angle. The purpose of this study was to observe the performance of flashover voltage and surface contact angle of the insulator contaminated with artificial pollutant. The research was carried out by testing in a laboratory using LDPE insulation base material. The test sample was made with a size of 7cm x 7cm with a thickness of 0.2 mm, 0.4 mm and 0.6 mm, respectively. On the surface of the insulating material pollutant coatings are carried out with a concentration of 10 grams to 50 grams. The pollutant coating process is carried out by hanging the test sample inside the fogchamber, then spraying artificial pollutants with different NaCl concentrations for ± 7 days so that the pollutants are evenly distributed on the surface of the test sample. Afterward, a high voltage was applied to the test sample observing the performance of the flashover voltage, and a surface contact angle measurement was performed, as well as an Equivalent Salt Deposit Density (ESDD) measurement. The results showed that the higher the NaCl concentration on the surface of the LDPE insulation material, the lower the flashover voltage performance. The concentration of ESDD values on the surface of the insulation material has a significant effect on the decrease in flashover voltage. The surface contact angle of the LDPE insulation material is affected by the concentration level of NaCl, the higher the ESDD value then the surface contact angle tends to decrease and the insulation material is partially wetted.
Keyword : LDPE, Flashover Voltage, Surface Contact Angle, ESDD ABSTRAK
Paper ini memperesentasikan tentang pengaruh polutan Natrium Chloride (NaCl) di permukaan bahan isolasi LDPE terhadap kinerja tegangan flashover dan sudut kontak permukaan. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengamati kinerja tegangan flashover dan sudut kontak permukaan pada isolator yang terkontaminasi dengan polutan buatan. Penelitian dilakukan dengan cara pengujian di laboratorium dengan menggunakan bahan dasar isolasi LDPE. Sampel uji dibuat dengan ukuran 7cm x 7cm dengan ketebalan masing-masing 0,2 mm, 0,4mm, dan 0,6mm. Pada permukaan bahan isolasi tersebut dilakukan coating polutan dengan konsentrasi 10 gram sampai 50 gram. Proses pelapisan polutan dilakukan dengan menggantung sampel uji di dalam fogchamber, kemudian disemprotkan polutan buatan dengan konsentrasi NaCl yang berbeda selama ± 7 hari agar polutan terdistribusi merata di permukaan sampel uji. Kemudian diterapkan tegangan tinggi pada sempel uji untuk mengamati kinerja tegangan flashovernya, dan dilakukan pengukuran sudut kontak permukaan, serta pengukuran Equivalent Salt Deposit Density (ESDD). Hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi NaCl di permukaan bahan isolasi LDPE, maka semakin rendah kinerja tegangan flashover nya. Konsentrasi nilai ESDD di permukaan bahan isolasi tersebut berpengaruh secara signifikan terhadap penurunan tegangan flashover. Sudut kontak permukaan bahan isolasi LDPE dipengaruhi oleh tingkat konsentrasi NaCl, semakin tinggi nilai ESDD maka sudut kontak permukaannya cenderung turun dan bahan isolasi tersebut bersifat basah sebagian (partially wetted).
Kata Kunci : LDPE, Tegangan Flashover, Sudut Kontak Permukaan, ESDD.
I. PENDAHULUAN
Isolasi adalah sifat dari suatu bahan yang dapat memisahkan secara elektris dua buah penghantar atau lebih yang berdekatan sehingga tidak terjadi kebocoran arus, atau dalam hal tegangan tinggi, terjadi lompatan api (flashover) [1]. Saat ini penggunaan bahan isolasi polimer
pada peralatan listrik semakin banyak digunakan. Salah satu jenis bahan isolasi yang sering digunakan untuk melapisi kabel yaitu polimer Low Density Polyethylene (LDPE). Jenis bahan isolasi ini memiliki beberapa kelebihan antara lain: kekuatan dielektriknya tinggi, ringan, dan penanganannya yang mudah. Selain beberapa
2 kelebihan yang dimiliki oleh bahan isolasi tersebut
terdapat pula beberapa kelemahannya antara lain kinerja sifat tolak airnya rendah, sangat sensitif jika digunakan di daerah yang bersuhu tinggi, berkelembaban tinggi, berpolutan, dan adanya radiasi ultraviolet dengan intensitas tinggi di permukaan bahan isolasi LDPE.
Fenomena tegangan flashover yang disebabkan oleh pengotoran isolator merupakan frekuensi terbesar diantara setiap jenis permasalahan polusi dibidang kelistrikan. Polutan yang menempel pada permukaan isolator dapat bersifat larut dalam air (soluble
contaminant) yang umumnya merupakan
senyawa-senyawa garam alkali dan polutan yang tidak dapat larut (non-soluble contaminant) merupakan senyawa kimia kompleks yang banyak dihasilkan oleh polusi industri, debu gunung berapi, asap kendaraan bermotor, dan lain-lain.
Isolasi berbahan LDPE yang berada dalam kondisi kelembaban udara yang cukup tinggi, permukaannya akan menjadi basah karena proses kondensasi uap air. Apabila terdapat polutan garam NaCl pada permukaannya, maka garam tersebut akan terlarut dalam air dan akan menghasilkan lapisan elektrolit yang bersifat konduktif. Meningkatnya konduktifitas permukaan mengakibatkan isolasi tersebut tidak mampu menahan tegangan dan terjadi lucutan muatan pada permukaannya. Lucutan muatan ini akan menghasilkan arus bocor yang mengalir melalui permukaan isolator. Pada tegangan yang cukup tinggi, arus yang mengalir akan semakin besar dan jika aliran arus ini mencapai elektroda yang seharusnya tidak bertegangan, maka akan terjadi tegangan flashover pada permukaan isolasi tersebut. Selain itu tingkat kandungan polutan di permukaan isolasi mempengaruhi sifat sudut kontak permukaan isolasi tersebut, maka dilakukan penelitian tentang pegaruh polutan NaCl terhadap kinerja permukaan bahan isolasi LDPE.
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Kajian Pustaka
Penelitian tentang pengaruh kontaminan terhadap tegangan flashover telah banyak dilakukan. Penelitian tentang penuaan dipercepat isolator polimer SiR dan EPDM dengan polutan buatan kaolin dan NaC1. Hasil penelitian menunjukkan penerapan tegangan pengujian antara 45 kV sampai 100 kV memberikan hasil bahwa isolator SiR dapat bertahan tanpa terjadi lewat denyar [2,3].
Penelitian untuk mengamati pengaruh kontaminan terhadap tegangan flashover DC pada berbagai jenis isolator telah dilakukan dengan membuat kontaminan buatan yang mengandung garam, salt deposite density (SDD) dan mengandung tonoko, kaolin, non soluble
deposite density (NSDD). Hasil penelitian tersebut
menyimpulkan bahwa tegangan flashover pada isolator
yang terkontaminasi tonoko lebih tinggi antara 20% - 30% jika dibandingkan dengan polutan kaolin [4].
Silika oksida (SiO2) merupakan material yang
dominan pada Tonoko dan Kaolin. Mineral-mineral utama yang terdapat pada tonoko adalah Muscovite (KAl2Si3Al10(OH)2) dan kwarsa, sedangkan untuk
kaolin adalah Kaolinite (Al2SiO3(OH)4) dan kwarsa,
kelompok hydroxyl pada kaolin membuatnya bersifat
hydrophilic, sedangkan struktur dari Muscovite
mencegah kelompok hydroxyl di dalamnya dari kemudahan berinteraksi dengan air.
Tonoko memiliki jumlah komponen SiO2 (kwarsa)
yang lebih besar dan bersifat hidrofobik (menolak air) dibandingkan kaolin. Oleh karena itu permukaan isolator yang terkontaminasi dengan tonoko menjadi relatif tidak
uniform seperti yang ditunjukkan pada gambar 1a, kaolin
menjadi relatif uniform pada gambar 1b, dan bila larutan tonoko ditambahkan suatu bahan firofosfor (PA =
pyrophosphoric acid) gambar 1c, akan diperoleh suatu
lapisan polutan yang relatif uniform, seperti kaolin.
Gbr. 1 Distribusi polutan pada permukaan isolator.
B. Landasan Teori
Bahan LDPE adalah plastik yang mudah dibentuk ketika panas, yang terbuat dari minyak bumi atau minyak mentah yang juga digunakan dalam pembuatan plastik pelapis kabel.
Tegangan flashover AC isolator terkontaminasi dapat diukur dengan menggunakan pembangkit tegangan tinggi dimana tegangan tersebut dinaikkan secara perlahan-lahan (1,5 kV/detik) sampai terjadi tegangan
flashover. Besarnya tegangan flashover pada medan
yang seragam dipengaruhi oleh kondisi udara di sekitar isolator. Kepadatan udara relatif akan berkurang dengan penurunan tekanan dan kenaikan suhu. Hasil pembacaan tegangan flashover lalu dikoreksi dengan kondisi udara standar dengan mengacu pada standar IEC [5] dengan persamaan :
V =
V
B(1)
d
s d =b
B x 273 + 20 = 0 386bB (2) 760 273 + tB 273 + tB3
Gbr 3. Klasifikasi sudut kontak
III. METODE PENELITIAN
A. Bahan Penelitian
Bahan yang digunakan pada penelitian ini, antara
lain : 1). Bahan isolasi LDPE. 2). Polutan garam NaCl,
Kaolin, 3) air destilasi, 4) kapas, dan 5) sarung tangan.
B. Alat Penelitian
Alat yang digunakan pada penelitian ini, antara lain:
1). Seperangkat alat uji tegangan tinggi untuk mengukur
tegangan Flashover isolator. 2). Fog chamber sebagai
tempat pengkabutan untuk memberikan polutan melalui
nozzle penyemprot. 3). Higrometer 4). Timbangan digital,
5) Thermometer, 6) Baromater, 7) Konduktivitas meter,
8). Seperangkat alat ukur sudut kontak permukaan.
C. Prosedur Penelitian
Gbr.2 Pengaruh kontaminan garam terhadap tegangan flashover berikut : bahan isolasi LDPE ditempatkan di dalam fog Prosedur penelitian di lakukan sesuai dengan tahapan
ESDD pada permukaan isolator dapat dihitung chamber atau ruangan kecil tertutup yang sebelumnya telah dilubangi, kemudian dari lubang tersebut dengan menggunakan persamaan yang diberikan oleh
disemprotkan larutan NaCl sebagai polutan buatan, NGK Insulator (1994) sebagai berikut,
penyemprotan diberi selang waktu setiap ± 30 menit,
(D
2− D
1)
untuk setiap bahan isolasi disemprotkan NaCl dengan
ESDD=10xV
apx
(3) konsentrasi yang berbeda, yaitu 10gr, 20gr, 30gr, 40gr,S
dan 50gr. Setelah itu bahan isolasi didiamkan selama ± 24
dengan : ESDD = Equivalent Salt Deposit Density jam. Selanjutnya dilakukan pengujian tegangan flashover (mg/cm2) ; Vap = Volume air pencuci (ml); D1= menggunakan alat pembangkit tegangan tinggi arus
Eqivalen konsentrasi air garam bersama kapas sebelum bolak-balik frekuensi daya berdasarkan standar IEEE, ada polutan (%); D2 = Eqivalen konsentrasi air garam kemudian dilakukan pengukuran sudut kontak permukaan
bekas cucian bersama kapas dan polutan(%); S = Luas dengan memakai sumber cahaya dan kamera. Setelah seluruh permukaan isolator yang dibersihkan (cm2). dilakukan pengujian barulah bahan isolasi tersebut dicuci
Untuk mengetahui sejauhmana sifat hidrofobik suatu menggunakan air aquadest. Air dari hasil pencucian bahan isolasi polimer perlu dilakukan teknik pengukuran isolasi tersebut lalu ditampung dalam wadah kecil yang sudut kontak. Pada gambar 3 memperlihatkan ilustrasi kemudian diukur konduktivitas dan juga temperaturnya sudut kontak pada permukaan yang dibasahi. Berbagai untuk menghitung nilai ESDD di permukaan bahan
peneliti telah mengklasifikasikan bahwa sudut kontak isolasi LDPE. cairan pada suatu permukaan bahan apabila lebih kecil 30o
disebut bahan itu bersifat basah (hydrophilic), sudut kontak antara 30o-89o disebut basah sebagian (partially
wetted) dan untuk sudut kontak lebih besar 90o permukaan
bahan disebut bersifat hidrofobik (hydrophobicity) apabila cairan adalah air [6].
dengan : Vs = Tegangan flashover dalam keadaan standar
(Volt); VB = Tegangan flashover yang diukur pada
keadaan sebenarnya (Volt); d = Kepadatan udara relatif (mmHg/oC); tB = Suhu keliling pada saat pengujian (oC);
bB = Tekanan udara pada saat pengujian (mmHg).
Lapisan polutan pada permukaan isolator memiliki kurva karakteristik tegangan flashover yang unik terhadap ESDD, seperti terlihat pada gambar 2. Pada kondisi lingkungan yang sebenarnya, kasus ideal dari sebuah zat pengotor garam tunggal tidak ada. Jadi zat pengotor harus ditinjau dalam bentuk multi-komponen.
4
Gbr. 4 Rangkaian pengujian tegangan flashover pada bahan isolasi
Gbr. 6 Hubungan tegangan flashover standar terhadap konsentrasi
LDPE NaCl
B. Pengukuran Sudut Kontak Permukaan
Hasil pengukuran sudut kontak permukaan bahan isolasi LDPE dengan tingkat konsentrasi polutan tertentu ditunjukukkan pada gambar 7 berikut,
Gbr. 5 Rangkaian pengujian sudut kontak permukaan
IV.HASIL DAN PEMBAHASAN A. Pengujian Tegangan Flashover
Hasil pengujian tegangan flashover standar bahan isolasi LDPE untuk setiap ketebalan ditampilkan pada tabel I berikut.
TABEL I
NILAI HASIL PERHITUNGAN TEGANGAN FLASHOVER STANDAR
Kurva hubungan konsentrasi NaCl terhadap tegangan flashover standar ditunjukkan pada gambar 6 berikut.
Gbr. 7 Hubungan sudut kontak permukaan terhadap konsentrasi NaCl
C. Pengukuran ESDD di Permukaan
Hasil pengukuran nilai ESDD di permukaan bahan isolasi LDPE untuk setiap ketebalan ditunjukkan pada gambar 8 berikut.
5
Gbr. 8 Hubungan konsentrasi NaCl terhadap nilai ESDD
D. Pembahasan
Pada gambar 6, 7,dan 8 telah ditunjukan hasil dari perhitungan nilai tegangan flashover standar, sudut kontak permukaan, dan ESDD bahan isolasi LDPE dengan ketebalan 0,2 mm, 0,4 mm, dan 0,6 mm. Grafik hubungan nilai ESDD terhadap tegangan flashover standar ditunjukkan pada gambar 9 berikut.
Gbr. 9 Hubungan tegangan flashover estándar terhadap nilai ESDD
Pada gambar 9 terlihat bahwa semakin tinggi nilai ESDD di permukaan bahan isolasi, maka tegangan flashover cenderung turun. Untuk bahan isolasi dengan ketebalan 0,2 mm diperoleh nilai tegangan flashover standar sebesar 17,71 kV tanpa polutan NaCl, dan cenderung turun sampai 11,65 kV untuk bahan isolasi yang mengandung polutan dengan nilai ESDD 0,0041 mg/cm2. Bahan isolasi dengan ketebalan 0,4 mm diperoleh tegangan flashover standar sebesar 19,79 kV tanpa polutan NaCl dan cenderung turun sampai 12,68 kV untuk nilai ESDD 0,0081 mg/cm2 dan bahan isolasi dengan ketebalan 0,6 mm diperoleh tegangan flashover standar sebesar 20,83 kV tanpa polutan NaCl dan cenderung turun sampai 15,05 kV untuk nilai ESDD 0,0111 mg/cm2.
Penerapan tegangan pada bahan isolasi LDPE menyebabkan adanya pengaruh medan magnet dan listrik pada bahan tersebut. Pengaruh medan ini menimbulkan
electrical stressing (tekanan listrik) di permukaaannya.
Akibat adanya polutan NaCl di permukaan bahan isolasi menyebabkan sifat konduktif di permukaannya yang dapat menghantarkan arus listrik. Pada kondisi kering polutan ini tidak memberi pengaruh terhadap sifat konduktif di permukaan, namun dalam kondisi lembab atau basah, maka polutan NaCl yang terdapat di permukaan akan solube (larut) dan terionisasi menjadi ion positif dan ion negatif (Na+ dan Cl-). Ion- ion ini bergerak bebas di permukaan bahan isolasi sehingga dapat menghantarkan arus listrik. Pada permukaan bahan isolasi terbentuk filamen yang merupakan jalur elektrolit yang bersifat konduktif. Dimana busur api listrik akan merambat di permukaan yang pada akhirnya menghasilkan tegangan flashover [7,8,9].
Ketebalan bahan isolasi LDPE, dari hasil pengujian menunjukkan bahwa semakin tebal bahan tersebut, maka nilai ESDD yang diperoleh dipermukaannya semakin tinggi dan tegangan flashovernya juga semakin besar. Kondisi ini dipengaruhi oleh semakin tebal bahan tersebut, maka luas permukaannya semakin besar, sehingga polutan NaCl yang menempel dipermukaan semakin banyak yang pada akhirnya nilai ESDD tinggi. Ketebalan bahan isolasi juga mempengaruhi kemampuannya untuk menahan electrical stressing. Semakin tebal bahan tersebut, maka tegangan yang dibutuhkan untuk menghasilkan tegangan flashover juga semakin besar.
Sudut kontak permukaan bahan isolasi LDPE bersifat basah sebagian (partially wetted). Hasil pengukuran sudut kontak permukaan yang diperoleh nilainya di bawah 90o. Semakin tinggi konsentrasi NaCl dipermukan bahan isolasi, maka nilai sudut kontaknya cenderung rendah. Hal ini disebabkan karena sifat dari polutan NaCl yang menyerap air, sehingga semakin tinggi konsentrasi NaCl di permukaan isolasi LDPE kerja kohesi dan sudut kontak permukaan semakin kecil.
V. KESIMPULAN
1. Kinerja tegangan flashover, sudut kontak permukaan bahan isolasi LDPE dipengaruhi oleh tingkat konsentrasi polutan NaCl di permukaannya. Semakin tinggi konsentrasi polutan maka nilai tegangan flashover semakin rendah dan sudut kontak permukaannnya berfluktuasi dan cenderung bersifat basah sebagian (partially wetted).
2. Semakin tinggi nilai ESDD di permukaan bahan isolasi LDPE, maka tegangan flashovernya cenderung turun. Untuk bahan isolasi dengan ketebalan 0,2 mm diperoleh nilai tegangan flashover standar sebesar 17,71 kV tanpa polutan NaCl, dan cenderung turun sampai 11,65 kV yang mengandung polutan dengan nilai ESDD 0,0041 mg/cm2. Bahan isolasi dengan ketebalan 0,4 mm diperoleh tegangan flashover standar sebesar 19,79 kV tanpa polutan NaCl dan cenderung turun sampai 12,68 kV untuk
6 nilai ESDD 0,0081 mg/cm2, dan bahan isolasi dengan
ketebalan 0,6 mm diperoleh tegangan flashover standar sebesar 20,83 kV tanpa polutan NaCl dan cenderung turun sampai 15,05 kV untuk nilai ESDD 0,0111 mg/cm2.
3. Kinerja sudut kontak permukaan bahan isolasi LDPE yang diperoleh nilainya di antara 30o - 89o. Semakin tinggi konsentrasi NaCl dipermukan bahan isolasi, maka nilai sudut kontaknya cenderung rendah.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan Terima kasih kepada YBW- UMI melalui LP2S UMI yang telah mendanai peneitian ini melalui DIPA UMI.
REFERENSI
[1] Arismunandar, A., 1994,”Teknik Tegangan Tinggi”, Pradnya
Paramita, Jakarta.hlm 138-139
[2] De La O, A., Gorur, R.S., and Burnham, J.T., 1996, “Electrical
Performnce of Non-Ceramic Insulator in Artificial
Contamination Test Role of Resting Time”, IEEE Trans. On
Dielectrics and Electr. Insul., 3(6), 827-835.
[3] Gorur, R.S., De La O, A., El-Kishky, H., Chowdhary, M., and
Mukherjee, H., 1997, “Sudden Flashover of Nonceramic Insulators in Artificial Contamination Tests”, IEEE Trans. on
Dielectric and Electr. Insulation.,4(1),79-87.
[4] Hasegawa,Y.,Naito,K.,Arakawa,K.,Schneider,H, and Zaffanella,
L,E, 1988 “ A comparative program on HVDC contamination
test”, IEEE Tarns.on Power Delivery Vol.3, No. 4, pp.
1986-1993.
[5] IEC 601, 1992,”High voltage test technique”, pp.34 Second
edition.
[6] Sorqvist, T., Karlson, U., and Vlastos, A.E., 1995, “Surface
Ageing and its Impact on the Performance Insulators”, Nint
Intern. Symposium on High Voltage Engineering., pp.
3234/1-3234/4, Graz Convention Centre, Austria.
[7] Fukuda,S. V., 1993, ”The influnce of the type of contaminant on
flashover mechanisms”, 8th International Symposium on High
Voltage Engineering,113-116, Yokohama, Japan.
[8] Karady, G.G., Shah, M., and Brown, R.L., 1995, “Flashover Mechanism of Silicon Rubber Insulators used for outdoor Insulation – I”, IEEE Trans. on Pow. Delivery., 10(4), 1965-1971.
[9] Berahim, H., 2002a, “Pengaruh SiR Sebagai Bahan Pengisi
Terhadap ESDD dan Arus Bocor Material Isolasi RTV Resin epoksi Di Daerah Beriklim Tropis”Jurnal Tegangan Tinggi
