Pelapisan Dgn Spray Silikon

PELAPISAN SILIKON UNTUK MEMPERBAIKI KINERJA ISOLATOR KERAMIK Ricky Cahya Andrian Area Penyaluran dan Pengaturan Beban (AP2B) PT. PLN (Persero) Wilayah VIII Sulsel dan Sultra Jl. Letjen. Hertasning Blok B No. 1, Makassar, Sulsel Email : [email protected] Abstrak PT. PLN AP2B Sistem Sulsel banyak menggunakan isolator keramik di semua peralatannya terutama dipasang di tower transmisi150 kV dan 70 kV. Bahkan untuk di daerah yang mempunyai polutan tinggi seperti di Tonasa dan Bosowa tetap juga menggunakan isolator keramik ini, sehingga banyak flashover yang terjadi di daerah ini. Untuk mengganti ke jenis polymer silikon rubber membutuhkan biaya yang cukup besar. Sehingga dalam paper ini, penulis mengusulkan untuk menggunakan zat pelapis silikon untuk melapisi isolator keramik ini. Paper ini juga menjelaskan bahwa zat pelapis ini mempunyai kinerja yang cukup baik jika dibandingkan dengan isolator polymer silikon itu sendiri. Peningkatan kemampuan isolator dalam bentuk penurunan arus bocor, penurunan THD (Total Harmonic Distortion) dan peningkatan flashover voltage akan dibahas. Pelapisan silikon mampu meningkatkan hidrofobisitas isolator. Kata kunci : isolator keramik, pelapisan silikon, arus bocor, flash overvoltage.

PENDAHULUAN Line transmisi 150 kV Pare-Pangkep di sistem sulsel merupakan line yang sangat crucial karena arus dari Bakaru, Sengkang dan Suppa sebagai pembangkit terbesar saat ini melalui line ini untuk sampai ke pusat beban yaitu Makassar. Sehingga jika line ini terjadi gangguan, maka dipastikan terjadi pemadaman meluas di Sulsel karena seperti diketahui sistem Sulsel saat ini masih bersifat radial. Pangkep merupakan daerah yang memiliki polutan yang sangat tinggi karena pabrik semen tonasa terletak di kota ini sehingga plutan semen induktif banyak yang menempel di isolator keramik di tower di daerah ini sehingga gangguan akibat flashover banyak terjadi di daerah ini. Oleh karena itu, untuk mengurangi gangguan ini, sering dilakukan pembersihan isolator dari debu polutan semen. Senyawa silikon digunakan untuk pelapisan karena mempunyai karakteristik yang sangat baik terutama kekuatan dielektrik yang sangat tinggi dan kekuatan menolak air (hidrofobik), kemampuan menahan temperatur tinggi dan rendah, serta menahan radiasi ultraviloet dan ozon. Paper ini berusaha mempresentasikan bahwa untuk memperbaiki kinerja isolator keramik tidak perlu dengan mengganti ke jenis polymer tetapi cukup dengan melapisi dengan senyawa

silikon. Dalam hal ini, penulis juga tidak bermaksud mempromosikan produk suatu perusahaan tetapi penulis hanya ingin memberikan solusi yang efisien tetapi cukup menjanjikan. ANALISIS Untuk keperluan pelapisan, digunakan senyawa silikon dalam bentuk pasta (grease) yang terbuat dari polydimethyl siloxane (PDMS) yang diproduksi oleh Novagard Silicone dengan nama NovagardG687. Senyawa ini mempunyai berat jenis 1.05, resistivitas volume 5500 Tera Ohm cm dan konstanta dielektrik 2.74. Faktor rugi-rugi senyawa silikon 0.05%. Tingkat kekentalan senyawa silikon diatur dengan pengenceran menggunakan senyawa Trichoroethane (TCE II). Sampel isolator dilapisi dengan senyawa silicon dengan menggunakan metoda semprot menggunakan nosel tekanan tinggi. Jarak semprot adalah 30 cm, isolator diputar sehingga seluruh permukaan secara kontinyu mendapat pelapisan. Dari pengalaman untuk tekanan nosel 3 bar maka hubungan antara lama pelapisan dengan ketebalan lapisan dapat dirangkum sebagai berikut:

Tabel 1 Hubungan antara waktu penyemprotan dan ketebalan lapisan Waktu (menit) 10 15 25 30

Ketebalan lapisan (mm) 0.18 – 0.20 0.27 – 0.30 0.45 – 0.50 0.54 – 0.60

Ketebalan lapisan diukur dengan cara konvensional yaitu menggunakan kertas minyak. Kertas dikenakan pada permukaan isolator secara tegak lurus dan hasilnya dilihat di bawah mikroskop. Ketebalan lapisan dibuat antara 0,2 mm hinga 0,6. Ketebalan lapisan senyawa silikon dijadikan sebagai salah satu parameter untuk mengetahui pada ketebalan berapa pelapisan cukup efektif. Sampel baik yang belum dilapisan maupun yang telah dilapisi dimasukkan ke dalam lemari uji (test chamber) dengan kondisi lingkungan (temperature dan kelembaban) yang diatur serta diberikan polusi buatan menurut kaidah standar IEC 60-1:1989. Tegangan AC dengan frekuensi 50 Hz diberikan kepada sample dan dinaikkan secara berkala. Beberapa besaran yang menunjukkan karakteristik isolator pasangan luar diukur. Besaran tersebut diantaranya: arus bocor (magnitude dan bentuk gelombang), sudut kontak (hidrophobisitas), dan tegangan lewat denyar. Tingkat hidrophobisitas ditentukan dengan mengukur sudut kontak. Sudut kontak diukur baik untuk isolator dengan lapisan, isolator tanpa lapisan dan isolator dengan polutan. Akuades sebanyak 50 ml diteteskan menggunakan pipet mikro pada permukaan isolator membentuk suatu tetesan air. Profil butir air di atas permukaan tersebut dipotret 2 menit setelah penetesan. Hal ini untuk menghindari kemungkinan penguapan dan kondisi tetes air telah stabil. Sudut kontak ditentukan dengan proyeksi hasil pemotretan pada suatu layar. Sudut kontak adalah sudut yang dibentuk oleh permukaan isolator dengan garis yang menyinggung permukaan butir tetes air pada permukaan seperti pada gambar 1.

Gambar 1 Penentuan sudut kontak untuk ukuran hidrophobisitas permukaan isolator Analisa permukaan dilakukan dengan menggunakan Scanning Electron Microscophy (SEM). Gambar topografi permukaan diperoleh dengan tegangan operasi SEM sekitar 10 kV. Perbesaran ditentukan oleh tingkat resolusi yang diinginkan. Pada eksperimen ini dipergunakan perbesaran yang berkisar antara 10 kali hingga 5000 kali. Arus bocor (leakage current) yang mengalir pada permukaan isolator sample diukur menggunakan osiloskop digital TDS 220 dengan sampling rate 1 Gs/s melalui suatu collector ring yang ditempatkan pada pangkal isolator kemudian arus didrop pada suatu resistor. Tegangan jatuh pada resistor diukur dengan osiloskop. Data digital yang didapat dari osiloskop ditransfer ke dalam computer menggunakan GPIB. Analisa lebih lanjut tentang arus bocor dilakukan dengan menggunakan software matlab dan excell di dalam computer. Dari pengukuran ini didapat informasi bentuk gelombang secara utuh. Dua besaran penting dipergunakan dalam eksperimen ini yaitu magnitude (besarnya) arus bocor dan kandungan harmonic yang dinyatakan dalam Total Harmonic Distortion (THD) yang dinyatakan sebagai: n

THD =

∑I n=2

2 n

…………………..(1)

I1

dimana I1 adalah arus fundamental sedangkan In adalah arus harmonik ke n. Tegangan lewat denyar (flash over voltage) ditentukan melalui pengamatan visual. Tegangan dinaikkan dengan laju 2,5 kV per 5 menit.

HASIL EKSPERIMEN Perbaikan kehalusan permukaan isolator Gambar 2 menunjukkan hasil foto SEM permukaan isolator baru tanpa pelapisan silikon (a) dan dengan pelapisan silikon (b). Terlihat bahwa meskipun dengan mata terlihat

isolator tampak halus maka dengan SEM sebenarnya permukaan isolator cukup kasar. Setelah dilapis dengan senyawa silikon maka permukaan isolator menjadi jauh lebih halus.

(a)

(a)

(b)

(b) Gambar 2: Foto SEM permukaan isolator tanpa (a) dan dengan (b) pelapisan silikon Perbaikan hidrophobisitas permukaan. Hidrophobisitas merupakan sifat permukaan dalam menolak atau menarik air. Permukaan dikatakan hidrophobik bila menolak air dan hidrophilik bila menarik air. Untuk visualisasi permukaan air yang bersifat menolak air akan menghasilkan butir air yang menyerupai bola sedangkan permukaan hidrophilik butiran air akan berbentuk oval atau bahkan akan rata dengan permukaan. Gambar 3 merupakan hasil pemotretan terhadap butiran air pada permukaan isolastor baru tanpa pelapisan senyawa silikon (a) dan dengan pelapisan senyawa silikon (b).

(c) Gambar 3: Profil butiran air pada permukaan isolator (a) bersih tanpa pelapisan silikon (b) tanpa pelapisan senyawa silikon dan terpolusi (c) dengan pelapisan silikon Permukaan isolator baru meskipun secara fisik dengan mata terlihat halus maka bila diberikan tetes air akan terserap. Sudut kontak pada gambar (a) adalah sekitar 45o. Permukaan ini tergolong hidrophilik karena biasanya batas antara hidrophilik dan hidrophobik adalah 90o. Gambar (b) menunjukkan butiran air pada permukaan isolastor terpolusi dengan polutan kaolin. Terlihat bahwa air terserap oleh polutan sehingga hamper rata. Sudut kontak berkisar sekitar 3o. Gambar (c) menunjukkan butiran air di atas permukaan isolator yang telah dilapisi dengan senyawa silikon. Terlihat bahwa dengan pelapisan senyawa silikon maka permukaan yang semula bersifat hidrophilik

berubah menjadi hidrophobik. Sudut kontak naik menjadi sekitar 102o. Pemberian lapisan senyawa silikon bukan hanya meningkatkan hidrophobisitas pada saat bersih namun juga meningkatkan hidrophobisitas pada saat permukaan terkena polusi. Pada saat isolator terpolusi semen maka sudut kontak bervariasi di sekitar 38o. dengan pemberian lapisan silikon maka sudut kontak naik menjadi sekitar 92o. Pemberian lapisan senyawa silikon akan meningkatkan sudut kontak isolator yang terpolusi kaolin naik dari sekitar 3o menjadi sekitar 70o. Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa pelapisan senyawa silikon meningkatkan daya tolak terhadap air dari permukaan isolator bahkan pada saat permukaan terkena polusi. Kejadian ini terkait dengan kemunculan minyak silikon ke permukaan lapisan. Pengurangan Arus Bocor Arus bocor biasanya mengalir pada permukaan isolator keramik yang dipasang di luar. Besar arus yang mengalir tergantung dari kondisi permukaan dan lingkungan. Arus bocor besar akan terjadi pada kondisi permukaan terpolusi dan dalam lingkungan kelembaban tinggi atau basah. Gambar 4 menunjukkan hubungan antara arus bocor dan tegangan untuk isolator keramik tanpa pelapisan silicon pada kondisi bersih, terpolusi semen dan terpolusi kaolin-garam (2 mS/cm) pada kondisi kelembaban tinggi (sekitar 90 %). Sebagaimana terlihat pada gambar, pada saat isolator bersih maka arus yang mengalir sangat kecil yaitu beberapa puluh µ A meskipun pada kondisi kelembaban tinggi. Hal ini menunjukkan isolator tanpa pelapisan silicon pada kondisi bersih dapat menahan arus bocor dengan baik. Namun demikian bila isolator terpolusi maka arus bocor naik menjadi beberapa ribu µ A. Kenaikan ini sangat tinggi dibanding pada kondisi bersih. Perbedaan yang sangat tajam ini diakibatkan oleh adanya kenaikan konduktivitas permukaan isolator yang terkena polusi dan pada saat yang sama menyerap air. Penyerapan air terjadi karena dalam keadaan tidak terlapisi oleh senyawa silikon permukaan bersifat hidrophilik yaitu menyerap air. Dengan demikian tanpa pelapisan silicon permukaan isolator akan menghasilkan arus bocor yang sangat bervariasi tergantung dari kondisi lingkungan.

Gambar 4 . Tipikal hubungan antara arus bocor dan tegangan untuk isolator tanpa pelapisan silikon pada berbagai kondisi Gambar 5 menunjukkan hubungan antara arus bocor dan tegangan untuk isolator yang telah dilapisi dengan senyawa silicon dengan perlakukan seperti isolator sebelumnya. Pada saat bersih arus bocor mempunyai orde yang sama dengan isolator tanpa pelapisan silicon. Namun pada saat terkena polusi maka isolator yang dilapisi silicon dapat menekan arus bocor dari sekitar 1500 µ A menjadi kurang dari 400 µ A bahkan untuk polusi semen penekanan arus bocor lebih baik lagi.

Gambar 5 . Hubungan antara arus bocor dan tegangan untuk isolator yang dilapisi dengan senyawa silikon Pengurangan kandungan harmonik Arus bocor yang mengalir pada permukaan isolator mengandung harmonik frekuensi tinggi. Bahkan pada kondisi tertentu (misalnya pada saat terjadi dry band arching) terjadi frekuensi yang sangat tinggi. Dari eksperimen ternyata pelapisan dengan senyawa silikon dapat mengurangi kandungan harmonik. Gambar 6 (a) menunjukkan tipikal gelombang arus bocor pada isolator tanpa pelapisan senyawa silikon pada kondisi terpolusi kaolin

– garam 15 mS/m dan kelembaban tinggi. Terlihat dari gambar bahwa gelombang arus bocor merupakan sinusoidal terdistorsi. Fundamental (50 Hz) dari arus bocor beramplitudo sekitar 3000 µ A dan THD gelombang adalah 20 %. THD yang relatif tinggi ini muncul karena proses dry band arching. Analisa Fourier menghasilkan spektrum dalam domain frekuensi seperti pada gambar 6 (b). Dari gambar terlihat adanya kandungan harmonik ke-3 yang cukup besar yang biasanya muncul saat dry band arching. Harmonik ini mengandung energi losses yang bersifat merusak (aging) terhadap isolator.

(a)

(b)

(a)

Gambar 7. Tipikal gelombang arus bocor (a) dan kandungan harmonik (b) pada isolator dengan pelapisan silikon Peningkatan Tegangan Flash over

(b) Gambar 6 . Tipikal gelombang arus bocor (a) dan kandungan harmonik (b) pada isolator tanpa pelapisan silikon Gambar 7 menunjukkan bentuk gelombang (a) dan kandungan harmonik arus bocor pada isolator yang dilapisi dengan senyawa silikon. Terlihat dari gambar bahwa bentuk gelombang lebih mulus dan amplitudonya jauh lebih kecil. Pengurangan amplitudo terjadi dari 3.000 µ A menjadi kurang dari 150 µ A. Ini suatu pengurangan yang sangat besar. THD juga menjadi lebih baik yaitu dari 20 % turun menjadi 4.6%. Hal ini menunjukkan bahwa pelapisan senyawa silikon sangat efektif mengurangi kandungan harmonik arus bocor pada isolator pasangan luar khususnya untuk daerah terpolusi berat.

Gambar 8 menunjukkan hubungan antara arus bocor dan tegangan pada isolator tanpa (a) dan dengan (b) pelapisan silikon pada kondisi terpolusi kaolin dan semen pada kelambaban tinggi. Dari hasil penelitian ternyata isolator tanpa pelapisan telah mengalami lewat denyar pada tegangan sekitar 30 kV. Namun dengan pelapisan ternyata tidak ditemukan lewat denyar meskipun tegangan telah dinaikkan menjadi 60 kV. Hasil ini menegaskan bahwa pelapisan dengan senyawa silikon meningkatkan tegangan lewat denyar isolator pasangan luar sangat signifikan. Hal ini mungkin disebabkan oleh sifat isolasi yang sangat baik yang dimiliki oleh silikon.

(a)

Gambar 9. Hubungan antara tegangan dan arus bocor untuk berbagai ketebalan lapisan senyawa silikon Pengaruh Ketebalan

(b) Gambar 8 : Hubungan antara arus bocor dan tegangan pada investigasi lewat denyar untuk tanpa (a) dan dengan (b) pelapisan silikon

Pelapisan permukaan isolator keramik dengan senyawa silikon dapat dibuat dengan beberapa ketebalan. Untuk efektivitas pelapisan perlu diketahui pengaruh ketebalan terhadap efektivitas peningkatan kualitas isolator. Gambar 9 menunjukkan hubungan antara tegangan dengan arus bocor untuk berbagai ketebalan lapisan senyawa silikon untuk kondisi bersih. Dari gambar terlihat adanya pengelompokan antara ketebalan di bawah 0,35 mm dan di atas 0,5 mm. Dari hasil ini dapat ditarik suatu kesimpulan bahwa pelapisan dengan senyawa silikon cukup dilakukan dengan ketebalan sekitar 0,5 mm. KESIMPULAN Studi atas pelapisan senyawa silikon terhadap isolator keramik pasangan luar telah dilakukan. Dari eksperimen didapatkan bahwa pelapisan dapat meningkatkan kualitas isolator yaitu diantaranya: perbaikan permukaan, peningkatan hidrophobisitas, penurunan arus bocor, pengurangan harmonik, dan peningkatan tegangan lewat denyar. Dari eksperimen juga diperoleh informasi bahwa ketebalan 0,5 mm telah cukup efektif meningkatkan kualitas isolator.