PENGARUH PERSENTASE FENOL TERHADAP KEKUATAN DIELEKTRIK MINYAK JAGUNG
Benito Arif Nugroho, Syahrawardi Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail:
[email protected]
Abstrak Minyak nabati, seperti minyak jagung, dapat digunakan untuk alternatif lain pembuatan isolasi cair. Dari pengujian yang dilakukan, kekuatan dielektrik minyak jagung masih belum memenuhi standar untuk digunakan sebagai isolator cair. Hasil pengujian menunjukkan minyak jagung memiliki kekuatan dielektrik lebih tinggi sesudah ditambahkan fenol. Variasi persentase fenol yang terlarut di dalam minyak jagung juga menghasilkan besar kekuatan dielektrik yang berbeda pula. Untuk memenuhi nilai standar SPLN 49-1 : 1982 untuk tegangan tembus yaitu ≥ 30 KV pada jarak sela 2,5 mm, maka persentase fenol di dalam minyak jagung adalah ≥ 8,52 %.
Kata Kunci: kekuatan dielektrik, minyak jagung, fenol
1. Pendahuluan Peralatan tegangan tinggi sangat membutuhkan isolasi dalam penggunaannya. Isolasi cair banyak digunakan pada peralatan tegangan tinggi seperti transformator, sekaligus sebagai bahan pendingin. Bahan isolasi cair yang banyak digunakan saat ini masih berupa olahan dari minyak bumi. Banyak penelitian dilakukan untuk mencari sumber baru bahan isolasi cair, dimana sumber tersebut diusahakan berupa bahan organik yang bisa diuraikan oleh alam dan ramah lingkungan. Dari hasil penelitian tersebut diperoleh kesimpulan bahwa minyak nabati seperti minyak jagung merupakan salah satu sumber yang berpotensi menggantikan minyak isolasi berbasis minyak bumi. Namun kemampuan minyak nabati sebagai bahan isolasi cair masih kalah dibandingkan dengan isolasi cair yang berasal dari olahan minyak bumi, sehingga penambahan zat aditif bisa sangat berguna. Penambahan zat aditif seperti fenol dapat membantu mengoptimalkan peran minyak nabati sebagai isolasi cair untuk peralatan tegangan tinggi.
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui kekuatan dielektrik minyak jagung, membandingkan pengaruh penambahan zat aditif berupa fenol pada minyak jagung, dan mengetahui kelayakan minyak jagung untuk dijadikan bahan isolasi cair dari segi tegangan tembusnya. Penelitian ini bermanfaat untuk memberi informasi tentang pengaruh penambahan zat aditif pada minyak nabati terhadap sifat elektrikalnya, dan memberi informasi tentang kelayakan minyak jagung untuk dijadikan bahan isolasi cair dari segi tegangan tembusnya. Adapun batasan masalah dalam Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut: 1. Tidak membahas reaksi kimia yang terjadi 2. Tidak membahas pengaruh luar berupa suhu, kelembaban, dan tekanan 3. Konsentrasi fenol yang dicampurkan adalah 2,5%, 5%, 7,5%, dan 10%
2. Minyak Isolasi dan Fenol Beberapa sifat yang harus terdapat pada isolator cair antara lain [1]: 1. Tegangan tembus yang tinggi 2. Faktor kebocoran dielektrik yang rendah 3. Viskositas yang rendah -35-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM 4. Titik nyala yang tinggi 5. Massa jenis yang rendah 6. Kestabilan kimia dan penyerapan gas yang baik 7. Angka kenetralan 8. Korosi belerang 9. Resistivitas Minyak isolasi terdiri dari beberapa jenis, berdasarkan bahan pembuatnya, minyak isolasi terdiri dari: minyak isolasi mineral, minyak isolasi sintesis, minyak isolasi nabati.
VOL. 1 NO. 2/Februari 2013
Penggunaan minyak isolasi untuk peralatan tegangan tinggi harus memenuhi syarat tertentu seperti SPLN 49-1 : 1982. Untuk standar penggunaan minyak isolasi berdasarkan SPLN 49-1 : 1982, dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Standar Minyak Isolasi Baru Menurut SPLN 49-1 : 1982 No
Pada Gambar 1 dapat dilihat secara morfologis buah jagung tersusun berturut-turut dari luar adalah: kulit atau kelobot, biji, dan tongkol. Biji jagung sendiri tersusun atas kulit (pericarp), biji (endosperm), lembaga (germ). Secara neraca massa (bahan) dari satu ton jagung diperkirakan dapat dihasilkan 35 kg minyak jagung [2].
Sifat Minyak Isolasi
1
Kejernihan
2
Massa Jenis (20oC)
3
Viskositas Kinematik 20oC -15o C -30o C
4
Titik Nyala
5
Titik Tuang
6
Angka Kenetralan
7
Korosi Belerang
8
Tegangan Tembus a. Sebelum diolah b. Sesudah diolah
-
Kelas Kelas 1 2 Jernih
g/cm3
≤ 0,895
cSt cSt cSt
≤ 40 ≤ 25 ≤ 800 ≤1800
Satuan
9
Faktor Kebocoran Dielektrik
10
Ketahanan Oksidasi Angka kenetralan Kotoran
o
C
≥ 140
≥ 130
o
C
≤ -30
≤ -40
mg KOH/g
< 0,03
-
Tidak korosif
KV/ 2,5 mm
≥ 30 ≥ 50
-
≤ 0,05
Mg KOH/g %
≤ 0,40 ≤ 0,10
Gambar 1. Morfologi biji jagung Bagian yang mengandung minyak adalah lembaga (germ). Germ yang dipisahkan dari endosperma merupakan bahan baku minyak jagung. Pada Gambar 2 dapat dilihat proses pembuatan minyak jagung secara berturut.
Fenol atau asam karbolat atau benzenol mempunyai rumus kimia C6H5OH dan strukturnya memiliki gugus hidroksil (-OH) yang berikatan dengan cincin fenil. Fenol merupakan salah satu dari sekian banyak senyawa turunan benzena. Fenol berbentuk kristal pada suhu ruangan karena mempunyai titik beku pada 42oC. Fenol juga mempunyai bau yang khas dan cukup menyengat. Fenol memiliki sifat yang cenderung asam, artinya dapat melepaskan ion H+ dari gugus hidroksilnya. Pengeluaran ion tersebut menjadikan anion fenoksida C6H5O− yang dapat dilarutkan dalam air. Struktur atom fenol dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 2. Skema Pemurnian Minyak Jagung
Gambar 3. Struktur Atom Fenol
-36-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 1 NO. 2/Februari 2013
Fenol mempunyai sifat-sifat sebagai berikut: Sifat Fisik: a) Berbentuk kristal dan aroma yang khas b) Dapat berupah warna bila tercemar atau terlalu lama terkena udara c) Titik didih : 182oC ; Titik beku : 42oC d) Massa jenis : 1,071 gr/cm3 e) Fenol memiliki kelarutan terbatas dalam air, yakni 8,3 gram/100 ml Sifat Kimia: a) Beracun, dapat membuat kulit melepuh b) Bersifat asam lemah c) Mudah larut dalam alkohol, gliserol, minyak, ether, dan air
3. Mekanisme Isolasi Cair
Tembus
Listrik
Pada
Suatu dielektrik tidak mempunyai elektronelektron bebas, melainkan elektron-elektron yang terikat pada inti atom unsur yang membentuk dielektrik tersebut. Pada Gambar 4 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 bebas. Dengan kata lain medan elektrik merupakan beban terhadap dielektrik agar berubah sifatnya menjadi konduktor.
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 terpaan elektrik yang dapat dipikulnya adalah ≤ Ek [3]. 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. Hal ini dapat dilihat pada Persamaan (1): E = ..................................(1) Teori kegagalan isolasi yang terjadi pada minyak transformator dibagi menjadi empat jenis sebagai berikut [4]: 1. Teori kegagalan elektronik 2. Teori kegagalan gelembung gas 3. Teori kegagalan partikel padat 4. Teori kegagalan bola cair
4. Pengujian Pengaruh Persentase Fenol Terhadap Kekuatan Dielektrik Minyak Jagung Peralatan-peralatan yang digunakan saat pengujian dilakukan antara lain: 1. Trafo Uji 220 V / 100 kV, 5 kVA, 50 Hz 2. Voltmeter AC 3. Bejana dengan elektroda bola (diameter 13 mm) 4. Gelas pemanas 5. Gelas beker 25 ml dan 250 ml 6. Pengaduk/spatula
+ Elektroda ɛr
V
E
Dielektrik Elektroda
-
Gambar 4. Medan Elektrik Dalam Dielektrik [3] 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”.
Rangkaian pengujian untuk menguji tegangan tembus minyak jagung dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5. Rangkaian Pengujian Tegangan Tembus Minyak Keterangan: AT = Autotrafo; TU = Trafo Uji; PT = Trafo Ukur; V = Voltmeter AC; EB = Elektroda Bola
-37-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM Prosedur pengujian yang dilakukan adaalah sebagai berikut: 1. Panaskan kristal fenol hingga mencair dengan gelas pemanas 2. Tuang fenol yang sudah dicairkan ke dalam gelas beker 25 ml sebanyak 5 ml, lalu pindahkan fenol tadi ke dalam gelas beker 250 ml. 3. Tuang sampel minyak jagung ke dalam gelas beker 250 ml hingga volume campuran antara minyak jagung dan fenol mencapai 200 ml. Aduk hingga bercampur. 4. Tuang minyak yang sudah bercampur fenol ke dalam bejana pengujian. 5. Atur jarak sela antara elektroda bola sampai 2,5 mm 6. Buat rangkaian pengujian seperti pada Gambar 4.1. 7. Saklar utama S1 ditutup dan AT diatur hingga tegangan keluarannya nol. 8. Naikkan tegangan input pada TU secara bertahap hingga terjadi tembus listrik. 9. Catat nilai tegangan tembus pada voltmeter. 10. Buka saklar utama S1 dan saklar sekunder S2. 11. Tunggulah selama 2-3 menit sebelum percobaan selanjutnya. Aduk minyak pada bejana untuk menghilangkan gelembung udara yang timbul akibat tembus listrik. 12. Ulangi prosedur 7 – 11 sebanyak 5 kali lagi per variasi konsentrasi campuran fenol. Ulangi prosedur 1 – 11 untuk variasi persentase konsentrasi campuran fenol sebanyak 5%, 7,5% dan 10% Berdasarkan prosedur percobaan yang dilakukan, maka didapatlah data hasil pengujian seperti pada Tabel 2, Tabel 3, Tabel 4, Tabel 5, dan Tabel 6. Tabel 2. Data Hasil Pengujian Tegangan Tembus Minyak Jagung Murni TEGANGAN PENGUJIAN TEMBUS (KV) 1 6,7 2 10,6 3 11,4 4 10,2 5 9.9 6 10,3 Rata-Rata 10,48
VOL. 1 NO. 2/Februari 2013 Tabel 3. Data Hasil Pengujian Tegangan Tembus Minyak Jagung Dengan Kandungan Fenol Sebanyak 2,5% TEGANGAN PENGUJIAN TEMBUS (KV) 1 10,2 2 16,6 3 15,8 4 16,1 5 17,3 6 16,5 Rata-Rata 16,46 Tabel 4. Data Hasil Pengujian Tegangan Tembus Minyak Jagung Dengan Kandungan Fenol Sebanyak 5% TEGANGAN PENGUJIAN TEMBUS (KV) 1 17,6 2 21,9 3 20,6 4 22,4 5 20,7 6 23,1 Rata-Rata 21,74 Tabel 5. Data Hasil Pengujian Tegangan Tembus Minyak Jagung Dengan Kandungan Fenol Sebanyak 7,5% TEGANGAN PENGUJIAN TEMBUS (KV) 1 25,8 2 27,4 3 28,6 4 27,6 5 29,3 6 28,1 Rata-Rata 28,2 Tabel 6. Data Hasil Pengujian Tegangan Tembus Minyak Jagung Dengan Kandungan Fenol Sebanyak 10% TEGANGAN PENGUJIAN TEMBUS (KV) 1 28,9 2 32,7 3 34,3 4 33,9 5 33,7 6 32,3 Rata-Rata 33,38
-38-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 1 NO. 2/Februari 2013
Dengan : E = Kuat medan listrik yang dapat ditahan oleh dielektrik (KV/mm) V = Tegangan maksimum yang dibaca alat ukur (KV) S = Jarak sela antar elektroda Ƞ= Faktor efisiensi = f (p,q)
E=
33,38 = 15,16 2,5 . 0,881
/
Dari data dan analisa data percobaan dapat digambarkan grafik seperti pada Gambar 7 dan Gambar 8. Tegangan Tembus Rata-rata (KV)
Dari data pengujian, maka dapat dicari nilai kekuatan dielektrik dari minyak jagung, dengan Persamaan 4.1 : ........................ (2) E = .ƞ
p= ; q = ……...…...…(3) dengan R,r = radius masing-masing elektroda = 6,5 mm
40 30 20 10 0 0
2.5
5
7.5
10
Persentase Fenol dalam Minyak Jagung
Gambar 7. Grafik Perbandingan Tegangan Tembus Rata-rata Terhadap Persentase Fenol dalam Minyak Jagung
1.2
20
1
Kekuatan Dielektrik (KV/mm)
Faktor Effisiensi (q = 1)
Maka, didapat nilai p = 1,385 dan q = 1, kemudian berdasarkan Gambar 6, maka faktor efisiensi untuk f(1,385;1) = 0,881
15
0.8 0.6
10
0.4 0.2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
y = 3E-06x6 - 0,000x5 + 0,002x4 - 0,020x3 + 0,128x2 - 0,539x + 1,428
indeks nilai p
b)
Untuk Konsentrasi Fenol 2,5% 16,46 E= = 7,47 / 2,5 . 0,881
c)
Untuk Konsentrasi Fenol 5% 21,74 E= = 9,87 / 2,5 . 0,881
d)
e)
Untuk Konsentrasi Fenol 7,5% 28,2 E= = 12,80 / 2,5 . 0,881 Untuk Konsentrasi Fenol 10%
0
2.5
5
7.5
10
Gambar 8 Grafik Perbandingan Kekuatan Dielektrik Minyak Jagung Terhadap Persentase Fenol di Dalam Minyak Jagung
Didapatlah analisa data sebagai berikut: Untuk Minyak Jagung Tanpa Fenol 10,48 E= = 4,76 / 2,5 . 0,881
0 Persentase Fenol dalam Minyak Jagung
Gambar 6. Grafik Faktor Efisiensi Untuk Susunan Elektroda Bola-Bola
a)
5
Dari Gambar 7 dan Gambar 8 dapat dilihat bahwa tegangan tembus dan kekuatan dielektrik minyak jagung naik seiring dengan jumlah persentase fenol yang tercampur di dalamnya. Kenaikan tegangan tembus dan kekuatan dielektrik yang terjadi hampir linier, sehingga nilai tegangan tembus dapat dihitung dengan persamaan garis linier yaitu : = 2,29 + 10,48 …………....(4) Dimana :
y = tegangan tembus (KV) x = persentase fenol dalam minyak jagung (%)
Berdasarkan Tabel 1, nilai standar SPLN 49-1 : 1982 untuk tegangan tembus adalah ≥ 30 KV, maka besar persentase fenol dalam minyak
-39-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 1 NO. 2/Februari 2013
jagung agar minyak jagung memenuhi standar tegangan tembus adalah ≥ 8,52 %.
Kesimpulan Berdasarkan hasil pengujian yang telah dilakukan maka didapatlah kesimpulan sebagai berikut: 1. Semakin besar persentase kandungan fenol dalam minyak jagung, semakin tinggi pula kekuatan dielektrik minyak jagung. 2. Kenaikan kekuatan dielektrik cenderung linier untuk setiap variasi campurannya. 3. Untuk memenuhi nilai standar SPLN 49-1 : 1982 untuk tegangan tembus yaitu ≥ 30 KV, maka persentase fenol di dalam minyak jagung adalah ≥ 8,52 %.
Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Ir. Syahrawardi atas bimbingannya dalam penulisan jurnal ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Bapak Ir. Hendra Zulkarnaen, Bapak Ir. Zulkarnaen Pane dan Bapak Ir. Masykur Sj. yang telah memberikan saran-saran yang membangun dalam penulisan jurnal ini.
Referensi [1] Setiabudy, Rudy., “Material Teknik Listrik”, UI Press, Depok, 2007 [2] Mangunwidjaja, Djumali, “Teknologi dan Diversifikasi Pengolahan Minyak Jagung”, Institut Pertanian Bogor, Bogor, 2003 [3] Tobing, Bonggas L., “Dasar Teknik Pengujian Tegangan Tinggi“, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 2003 [4] Salam, Mazen Abdel, et.al “High
Voltage Engineering Theory And Practice“, Marcel Dekker,Inc, New York, 2000
-40-
copyright @ DTE FT USU
