Metropilar Volume 7 Nomor 3 Juli 2009
PENGARUH POLUTAN TERHADAP KINERJA HIDROFOBIK PERMUKAAN BAHAN ISOLATOR SILIKON RUBBER Wa Ode Zulkaidah1) ABSTRACT This research discussed the laboratory experimental result of ESDD and hydrophobic properties of insulator material used polydimethil siloxane which processed in RTV (Room Temperature Vulcanization). The specimen used in this experiment, size 7 x 7 x 0, 5 cm, was treated by pollutant mixture which consisted of NaCl, varied from 10 gr to 70 gr, and mixed with 40 gr of constant kaolin/ltr of water distilled. The step of the experiment included (1) making specimen on RTV temperature, (2) specimen treatment by pollutant, (3) measurement of hydrophobic angle, (4) calculation of ESDD. The experimental result indicated that the percentage increasing of NaCl pollutant mixture tends to increase the content of ESDD, the high percentage of silicon tend to Cussed the smooth surface on specimen. The strong Si-O bond gives the high resistance properties against corona and environmental influences, so it can work on wide temperature range, i.e. -50oC to 230oC. Because of the flexibility of siloxane chain back bone and the easy free rotate of methyl cluster, the silicon rubber have hydrofobicity, so it get uncontinue wetting in rain. Key word: pollutant, esdd, and hydrophobic. PENDAHULUAN Penyaluran energi listrik dari sisi pembangkit sampai ketitik-titik pusat beban adalah suatu penyaluran yang melewati medium transmisi dan distribusi, yang cukup panjang dan beragam. Kondisi penyaluran ini diharapkan kontinyu, aman dan efisient sepanjang waktu. Harapan penyaluran yang efisient bisa tercapai jika kondisi peralatan yang membawah energy listrik berada dalam kondisi kinerja yang baik. Salah satu peralatan penting yang menopang suksesnya kinerja penyaluran energi adalah bahan isolator yang dipakai dalam medium transmisi maupun distribusi. Isolator yang digunakan pada system transmisi maupun distribusi tenaga listrik berfungsi mengisolasi bagian yang bertegangan dan yang tidak bertegangan. Umumnya isolator pasangan luar (outdoor) yang dipakai di Indonesia mempunyai bahan dasar yang terbuat dari keramik, gelas dan porselin. Bahan tersebut mempunyai kelemahan jika beroperasi dalam kondisi yang lembab, sebab memiliki sifat menyerap air, yakni sudut kontak terhadap air berada pada derajat yang kurang dari 30 (hydrophilic), kondisi ini akan semakin buruk jika berada dalam medan kerja yang berpolutan/terkontaminasi oleh keadaan alam terbuka seperti pinggiran laut atau kawasan industry, yang berakibat sudut kontak permukaan dan air makin kecil (Awad et al, 1999).
1)
Fenomena keterbatasan kinerja bahan isolator yang dimaksud diatas, sangat mengundang nyali para pakar peralatan tegangan tinggi, maka pada beberapa dekade terahir para peneliti mulai mengembangkan jenis isolator dari bahan polimer, seperti bahan Ethylene Propylene Diene Monomer (EPDM), Silikon Rubber (SIR) dan Ethyle Prophylene Karet (EPR). Diantara isolator dari bahan polimer yang disebutkan tersebut, karet silicon mempunyai keunggulan yang mampu menolak air, disamping itu dapat mentransformasikan sifat hydrofobiknya kepermukaan yang sedang terkena polusi akibat kondisi alam terbuka yang dilaluinya. Kemampuan suatu isolator untuk berfungsi sebagaimana mestinya, sangat tergantung pada keadaan lingkungan sekitarnya (tekanan udara,kelembaban, suhu,hujan dan polusi). Polutan yang menempel pada permukaan isolator dapat bersifat sebagai konduktor, apabila dalam keadaan basah dapat memicu timbulnya arus bocor bahkan kegagalan tegangan yaitu lewat denyar, yang berakibat pada terganggunya penyaluran daya listrik. Berangkat dari latar belakang yang diuraikan diatas, maka kinerja penelitian kali ini ditekankan pada uji karakteristik hydrofobik bahan isolator karet silicon yang mengalami perlakuan polutan berbeda dan kondisi penuaan dipercepat yang dilakukan dilaboratorium tegangan tinggi Universitas Gadjah Mada.
Dosen Tetap Pada Fakultas Teknik Universitas Haluoleo
Fakultas Teknik – Universitas Haluoleo
346
Metropilar Volume 7 Nomor 3 Juli 2009 LANDASAN TEORI A.
Isolasi silicon rubber
Isolasi adalah sifat dari salah satu bahan peralatan listrik yang dapat memisahkan secara elektrik dua buah penghantar atau lebih yang bertegangan sehingga tidak terjadi kebocoran arus. Secara garis besarnya bahan isolasi dapat diklasifikasikan atas 3 bagian, yaitu isoalsi padat,
cair dan gas. Karet silicon meruapakan salah satu bahan isolasi sebagai isolator dari keluarga polimer kelompok termoplastik yang mempunyai sifat-sifat kinerja hydrofobik yang baik, ringan dan mudah pembentukannya. Secara umum klasifikasi beberapa dielektrik padat dapat dilihat pada tabel-1 berikut ini.
Tabel 1. Klasifikasi beberapa dielektrik padat (Malik et al,1985) Organik
B.
Anorganik
Amber Kertas Pressboard
Keramik Kaca Mika
Karet
Fiber glass
Kayu
Email
Sifat Hydrofobik
Hidrofobik adalah salah satu sifat yang dimiliki oleh bahan isolasi karet silicon, yang mana apabila dalam keadaan terpolusi mampu mentransfer sifat menolak air kepermukaan bahan yang semulah terdegradasi oleh karena polusi, sehingga sifat hydrofobiknya masih mampu dipertahankan seperti seting awal bahan isolator saat beroperasi. Peristiwa tersebut dikenal dengan kinerja reaksi berat molekul rendah (BMR) yang naik diatas permukaa. Sifat hydrofobik suatu bahan isolasi dapat diketahui dengan cara melakukan pengukuran sudut kontak seperti pada gambar-1.
Polimer Sintetis Thermoplastik Thermoseting Perspex Damar epoxy Polyetilen Pheonolic Polypropilen Melamin Urea Polydyrene formaldehyde Polyvinyl Crosslinked choloride Polyetilen Dari gambar tersebut dapat diklasifikasikan menjadi 3 bagian besar : 1. Bahan yang bersifat basah (Hydrophilic) yaitu memiliki sudut kontak cairan dengan permukaan bahan isolasi kurang dari 30 derajat. 2. Bahan yang bersifat basah sebagian (Pertially wetted) yaitu memiliki sudut kontak cairan dengan permukaan bahan isolasi pada interval 30 s/d 89 derakat. 3. Bahan yang bersifat tidak basah (hydrophobicity) yaitu memiliki sudut kontak cairan dengan permukaan bahan isolasi lebih besar 90 derajat.
AIR
AIR
BAHAN
BAHAN
Basah keseluruhan (0 < Ø < 30o)
o
AIR o
Tidak basah (90 < Ø < 180 )
BAHAN Basah sebagian (30 < Ø < 90o)
Gambar 1. Karakter Sudut kontak bahan isolator terhadap air Sudut kontak pada karet silicon menurun pada saat awal terkontaminasi, dan akan meningkat secara berlahan seiring waktu setelah kontaminasi tersebut, ini terjadi karena peristiwa di transfernya sifat hydrofobik bahan kepermukaan yang terkontaminasi.
Fakultas Teknik – Universitas Haluoleo
a.
Esdd
Esdd merupakan kepadatan timbunan garam equivalent (equivalent salt deposit density) dari larutan pengotor yang menempel pada permukaan isolator, yang diformulasikan dengan persamaan sebagai berikut :
347
Metropilar Volume 7 Nomor 3 Juli 2009 1) Persamaan ESDD
γL
………….(1) 2) Persamaan Konduktivitas …………....(2) 3) Persamaan konsentrasi garam polutan
γS
γSV
Bahan padat
……………….(3) Gambar 4. sudut kontak cairan pada bahan Dimana : Esdd = Eqivalent Salat Deposit Density (mg/cm2). V = Volume air pencuci D1 = Eqivalent konsentrasi garam,air, kapas sebelum ada polutan (%) D2 = Eqivalent konsentrasi garam,air, kapas setelah ada polutan (%) S = Luas seluruh permukaan isolator (cm2). D = Konsentrasi garam NaCl (%) = Konduktivitas pada suhu 20o B = factor korelasi pada suhu ø (IEC 507)
Besar sudut kontak tetesan air pada gambar 4 diatas dapat dianalisis dengan persamaan Young berikut ini: …………………….……….(4) …………………………..……(5) ………(6) ………………….……….......(7) ………………………….….(8) ……………………………………. (9)
Correction Factor, k
1,5
σ zθ = σ T / K
……....(10)
1,0
0
5
10
15
20
25
30
35
Temperature, oC
Gambar 2. Faktor Korelasi Larutan NaCl
Conductivity
5000
D = {( 5,7 x0,0001 x t)1,03 }/10
Keterangan : = Tegangan permukaan bahan isolator dgn γSV udara γSL = Tegangan permukaan bahan isolator dgn air γLV = Tegangan permukaan bahan air dgn udara θ = Sudut kontak WA = Kerja adhesi γS = Tegangan permukaan padat γL = Tegangan permukaan air r = Faktor kekasaran permukaan
1000 100 50 0
x 0,001 2
5
10
20
25
30
Concentration of solution, D %
Gambar 3.Konsentrasi ekivalent garam pada 20o C
Faktor kekasaran permukaan bahan didefenisikan sebagai rasio permukaan kasar dengan permukaan actual yang dinyatakan oleh persamaan 2-7. Sudut kontak cairan yang ditimbulkan pada permukaan kasar dapat dinyatakan dengan persamaan 2-8. Dari hasil perhitungan dengan menggunakan persamaan young tersebut didapatkan bahwa kerja dhesi dan sudut kontak dari bahan yang bersifat hidrofobik seakin besar jika permukaanya semakin kasar.
Hubungan antara tegangan permukaan bahan padat, udara dan air dapat dilukiskan seperti gambar 4 berikut ini.
Fakultas Teknik – Universitas Haluoleo
348
Metropilar Volume 7 Nomor 3 Juli 2009 METODE PENELITIAN A.
Bahan Penelitian
1.
Sampel uji adalah berbahan dasar karet silicon (Polydimethylesilicon = PDMS), berbahan pengisi hydrogenperoxide dengan perbandingan 99,9 % : 0.025 %. Dan berukuran 7 x 7x 0,5 cm. NaCL dan Kaolin sebagai bahan polutan, yaitu campuran garam muali dari 10 gr, 20 gr, 30 gr s/ d 70 gr yang ditambahkan 40 gr kaolin
2.
3. 4. 5. 6.
sebagai bahan inert untuk setiap 1 liter air destilasi. Bahan pelapis cetakan CH2Cl2 sebagai pemisah. Air destilasi dan kapas yang digunakan untuk membersihkan polutan. Bahan pelengkap seperi HVS, ballpoint, ember, dan pendukung lainnya. Diagram alir pembuatan bahan uji dapat dilihat pada gambar-5.
Mulai
99 % karet silikon RTV 1% Hydrogenperoksida
Pengadukan pada kondisi standar selama 10 menit T = 28 oC dan P = 986 mmHg
Penuangan pada cetakan
Penekanan dan pengangkatan void
Pengeringan
Sampel Uji telah terbuat semua
Pengujian mekanik dan kekerasan permukaan
Selesai
Gambar 5. Diagram alir pembuatan bahan uji B.
Alat penelitian
1.
Alat pengukur sudut kontak yang dilengkapi kamera handycam, bellow mikrozoom, pipet volume 50 µl dan timer. Satu unit proyektor yang dilengkapi grafik berskala Satu set lemari uji penyemprotan polutan berukuran ( 1x1x1,2) m
2. 3.
Fakultas Teknik – Universitas Haluoleo
4. 5. C.
Satu set alat penyemprotan kompresor dan nozzel. Satu set konduktometer digital Hanma instrumen dilengkapi dengan cairan kalibrasi. Jalannya Penelitian
Secara garis besar jalannya penelitian dapat dilihat pada gambar 6.
349
Metropilar Volume 7 Nomor 3 Juli 2009 Mulai Membersihkan bhn uji ( SIR) Menerapkan polutan dgn komposisi sama pd bhn uji (SIR)
Mengeringkan bhn uji (SIR) yang telah terkontaminasi
Mengukur sudut kontak bhn uji
Mengukur esdd bhn uji (SIR)
Tabulasi Data hasil pengukuran bahan uji SIR
Menerapkan komposisi polutan yg berbeda
Ya ?
Tidak ? Selesai
Gambar 6. Diagram alir jalannya penelitian D.
Pengukuran sudut hydrofobik
Pencahayaan tidaklangsung
Kamerahdigital Sampel uji
E.
Pengukuran esdd
Fakultas Teknik – Universitas Haluoleo
350
Metropilar Volume 7 Nomor 3 Juli 2009 HASIL DAN PEMBAHASAN A.
Hasil pengukuran sudut kontak
Besarnya sudut kontak permukaan bahan terhadap tetesan cairan diperoleh berdasarkan hasil
pengamatan langsung melalui pemotretan camera digital yang terhubung dengan seperangkat computer. Hasil Film pemotretan sudut dapat dilihat pada gambar 7.
Gambar 7. Hasil pengukuran sudut hydrofobik B.
Hasil pengukuran esdd dan komposisi polutan Tabel 2. Hasil pengukuran esdd dan sudut Type Sampel S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8
Berat polutan (gr/ltr) 0 10 20 30 40 50 60 70
Fakultas Teknik – Universitas Haluoleo
ESDD (mg/cm2) 0 0,1439 0,1591 0,1689 0,1759 0,1867 0,2054 0,2579
Sudut Hydrofobik (O) 101,05 101,59 101,89 101,93 102,19 102,57 103,19 103,79
351
Metropilar Volume 7 Nomor 3 Juli 2009 C.
Analisis hubungan antara sudut kontak dan esdd
Gambar 8. Hubungan ESDD vs Berat Polutan Hubungan antara esdd terhadap berat komposisi perlakuan polutan ditunjukan oleh nilai signifikan sebesar 0,81 (gambar-8). Ini mengandung informasi bahwa sumbangan kenaikan berat polutan terhadap kenaikan esdd sebesar 5x10-4 berat polutan kuadrat ditambah 5,2 x 10-2 berat polutan yang dinormalisasikan dengan
koefisient 0,045. Nilai ini menunjukan bahwa kondisi isolator (bahan uji) akan cenderung (81%) mengandung esdd yang tinggi pada saat beroperasi didaerah rawan polusi. Sehingga penting dipikirkan untuk menemukan suatu bahan baru dalam meminimalisir kondisi buruknya peralatan isolator tersebut.
Gambar 9. Hubungan Esdd vs Sudut Kinerja sudut hydrofobik terhadap kenaikan konsentrasi esdd ditunjukan pada gambar 9. Nampak bahwa sumbangan konsentarsi esdd terhadap kinerja esdd memiliki nilai signifikan sebesar 0,95. Hal ini mengandung informasi bahwa sumbangan kenaikan sudut hydrofobik sebesar 56,43 esdd kuadrat ditambah 3,07 esdd yang dinormalisasikan dengan koefisient 101,02. Nilai ini menunjukan bahwa kondisi isolator (bahan uji)
Fakultas Teknik – Universitas Haluoleo
akan cenderung (95%) meningkatkan kinerja hidrofobik saat melewati daerah transmisi/distribusi mengandung esdd tinggi. Hal ini menunjukan bahwa isolator yang didesain dari bahan karet silicon akan mampu menunjukan kinerja baik dengan cara mentransfer sifat hydrofobiknya kepermukaan sebagai perlindungan dini pada saat kondisi lembab
352
Metropilar Volume 7 Nomor 3 Juli 2009
Gambar 10. Hubungan Sudut vs type sampel Hubungan antara type sampel yang didesain dengan komposisi optimasi kinerja terbaik ditunjukan pada gambar 10. Nilai signifikan. yang ditunjukan mencapai 97% mengandung informasi bahwa kecenderungan type sampel yang baik menunjukan kenaikan besar sudut hydrofobik, yang disebabkan oleh peristiwa difusi BMR dari bagian dalam menuju kepermukaan sampel uji, dipercepat oleh penerapan UV, kenaikan temperatur lingkungan serta tingginya derajat kekasaran permukaan oleh lapisan polutan. D.
Analisis sifat elastomer kemampuan hidrofobik
SIR
dan
Secara teoritis larutan kontaminasi garam pada permukaan sampel uji dalam suasana basah dapat membentuk jalur konduktif yang dapat menurunkan resistivitas permukaan, sehingga dapat membentuk jalur pita kering (dry band) yang menghasilkna tekanan listrik dan kerapatan arus tinggi. Adanya sifat hydrofobik menyebabkan komponen air yang melekat pada permukaan menurun, karena bereaksi dengan ikatan antara Si – O sepanjang ikatan rantai 1,64 AO. Ikatan antara Si – O yang kuat memberikan ketahanan yang tinggi akibat pengaruh lingkungan dan korona sehingga mampu berkerja pada jangkauan temperature – 50 OC s/d + 230 OC. Sifat yang khusus dimiliki oleh bahan karet silicon yaitu kemampuannya untuk menolak air, sehingga apabila dalam keadaan hujan bahan isolator dari silicon tidak mengalami pembasahan secara kontinyu. Hal ini disebabkan karena adanya tulang punggung (backbone) rantai siloksan yang fleksibel, mempunyai gugus methyl yang mudah berotasi bebas dan fleksibel seperti pada gambar 11.
Fakultas Teknik – Universitas Haluoleo
Gambar 11. Hhydrofobik gugus methil KESIMPULAN A.
Kesimpulan
Kinerja sudut hydrofobik sangat dominan ditentukan oleh prosentase optimal bahan silicon rubber (karet silicon) dibandingkan dengan pengaruh lingkungan tempat isolator tersebut beroperasi. Signifikan pengaruh optimasi prosentase bahan karet silicon dapat dilihat dari karakteristik bahan, yaitu semakin besar prosentase esdd kecenderungan besar sudut hidrofobik justru semakin meningkat. Hal ini dimungkinkan karena bahan silicon dengan prosentase yang tinggi akan memiliki sifat permukaan licin dan Hal ini dimungkinkan karena bahan silicon dengan prosentase yang tinggi akan memiliki sifat permukaan licin dan. B.
Saran-saran
Untuk aplikasi lebih luas perlu kiranya dilakukan uji coba dan investigasi langsung secara alamiah dilapangan perihal sampai nilai optimal diprosentase yang keberapa bahan karet silicon dapat lebih efisient meningkatkan kinerja sudut hidrofobik bahan isolator. Sehingga dapat
353
Metropilar Volume 7 Nomor 3 Juli 2009 memberikan informasi yang akurat mengenai layak tidaknya bahan karet silicon dipakai sebagai bahan isolasi tegangan tinggi pada decade kini dan masa depan. DAFTAR PUSTAKA Arismunandar, A., 1994, Teknik Tegangan Tinggi, Pradnya Paramita, Jakarta. Haryono T., Kusumawardani Suning S., dan Hidayat Ikhsan, 2007, Analisa Kualitas Instalasi Listrik Rumah Tangga, (Proceeding Seminar Nasional Teknik Ketenagalistrikan Universitas Hasanuddin), Makassar. Pipaert Karel, 2000, Asala Api Pada Instalasi Listrik (Proceeding Seminar Nasional Sistem Tenaga Elektrik I ITB), Bandung. Sayogo Bartien dan Ismail Isdarmadi, 2000, Aspek Keselamatan Manusia Pada Instalasi Listrik Dalam Bangunan/ Gedung (Proceeding Seminar Nasional Sistem Tenaga Elektrik I ITB), Bandung.
Fakultas Teknik – Universitas Haluoleo
Zulkaida W., 1999, Studi perencanaan instalasi listrik dan pencahayaan kompleks taman losari pada kawasan Tanjung Bunga (Skripsi Sarjana), Ujung Pandang. Zulkaida W., 2003, Perilaku Bahan Isolasi Polimer ReseinEpoksi Untuk Isolator Tegangan Tinggi di Daerah Tropis Akibat Penuaan yang Dipercepat (Tesis), Yogyakarta. Zulkaida W., 2005, Studi karakteristik trafo tegangan tinggi pada daerah operasional 70 KV (Jurnal metropilar volume 3. No.3), Fakultas Teknik Unhalu Kendari. Zulkaida W. and Tambi, 2007, Flashover voltage, Leak Current and ESDD Performance Test on Epocsi Resin Polimer Which to Experience Difference Filler Treatment for High Voltage Isolator in Tropic Region (Proceeding Seminar Nasional Teknik Ketenagalistrikan Universitas Hasanuddin), Makassar.
354
