Makalah Tugas Mata Kuliah Teknologi Kabel Tenaga Listrik
Insulating Material For Cables / Material Isolasi Pada Kabel Rezon Arif Budiman (L2F008082)
[email protected] Jurusan Teknik Elektro- Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro, Jln. Prof. Sudharto, Tembalang, Semarang
Abstrak – Kabel – Kabel merupakan salah satu komponen penting dalam Sistem Tenaga Listrik. Perananan utama dari kabel, khususnya kabel tenaga adalah untuk mentransmisikan energi listrik dari pusat pembangkit sampai ke sisi konsumen. konsumen. Dalam aplikasin aplikasinya, ya, fungsi isolasi isolasi pada kabel tenaga ternyata ternyata sangat penting mengingat mengingat daya yang disalurkan disalurkan cukup besar. besar. Material isolasi listrik listrik yang digunakan digunakan pada kabel bawah tanah (underground (underground cable) adalah bahan Polimer. Sebelum ditemukanya Polimer sintetis, isolasi yang digunakan digunakan berupa kertas karena kertas merupakan jenis polimer yang telah tersedia di alam, atau isolasi dengan sistem minyak bertekanan . Namun, sejak polimer sintetis dikembangkan, Polietilena (PE) dipakai sebagai material isolasi pada kabel. Kemudian Polietilen ini dikembangkan menjadi versi Crosslinked Polyethylene (XLPE). Polimer seperti polyethylene, polypropylene, dan etylene propylene co- dan ter- polymers merupakan Polimer hidrokarbon dan dikenal sebagai polyolefins. Untuk tegangan tegangan distribusi( distribusi(15 15 kV – 35 kV), bahan utama isolasi yang digunakan adalah PE meskipun meskipun secar secara a bertaha bertahap p mulai mulai berali beralih h ke XLPE. XLPE. Untuk Untuk tegang tegangan an rendah rendah dimung dimungkin kinkan kan men menggu ggunak nakan an isolas isolasii dari dari Polyvinyl chloride (PVC), silicone rubber(SIR), atau polimer lain yang telah tersedia dan mudah diproses. Kata kunci : Isolasi, XLPE.
I.
Pendahuluan
Dasar Teori
Kabel adala alah salah lah satu bagia agian n yang terp terpen enti ting ng dari dari Sist Sistem em Tena Tenaga ga List Listri rik k yang yang berfungsi berfungsi untuk menyalurkan menyalurkan (transmisi) (transmisi) energi energi listrik dari pusat pembangkit listrik sampai ke sisi konsumen.
Polyethylene (polietilena)
Pada sistem transmisi listrik tegangan tinggi biasanya digunakan kawat kawat listrik yang di benta bentangk ngkan an melalu melaluii tower tower tower tower listri listrik. k. Kawat Kawat konduk konduktor tor ini tidak tidak diberi diberi isolasi isolasi pada pada bagian bagian luarnya. Sistem transmisi listrik yang lain adalah meng menggu guna naka kan n sist sistem em tran transm smis isii bawa bawah h tanah tanah (underground). Pada sistem ini digunakan kawat kawat kawat yang yang diberi diberi isolas isolasii pada pada bagian bagian luarny luarnyaa bia biasa sany nyaa dise disebu butt deng dengan an kabe kabell bawa bawah h tana tanah. h. Isol Isolas asii pada pada kabe kabell bawa bawah h tana tanah h ini ini menj menjad adii perha perhatian tian yang yang sangat sangat penting penting mengin mengingat gat daya daya yang ditransmisikan cukup besar. Isolasi Isolasi yang awalnya dipakai dipakai adalah isolasi dari dari bahan bahan kertas kertas dan menggu menggunak nakan an sistem sistem oli berte bertekan kanan. an. Namun, Namun, sejak sejak dikemb dikembang angkan kannya nya Polimer Sintetis, secara bertahap isolasi kertas ini mulai mulai diting ditinggal galkan kan.. Polime Polimerr ini dikemb dikembang angkan kan leb lebih lan lanjut jut menja enjad di Poli Poliet etiilen len kemud emudia ian n dike dikemb mban angk gkan an lag lagi menja enjad di Cros rosslink linked ed Poly Polyet ethy hylen lene( e(XL XLPE PE). ). XLPE XLPE menj menjad adii sang sangat at popul popular ar dalam dalam fungsi fungsinya nya sebaga sebagaii bahan bahan utama utama isolasi kabel, terutama untuk kabel bawah tanah yang bekerja pada rating tegangan yang tinggi.
Polietilena adalah polimer hidrokarbon yang secara eksklusive terdiri dari karbon dan hidrogen. Polietilene ini dimanufaktur dari monomer etilena Etilena(gas)
polietilena(padat)
…CH2= CH2… CH2- CH2- CH2- CH2-… CH2-… Poli Poliet etile ilena na term termas asuk uk dala dalam m kela kelass polim polimer er yang sering dikenal dengan polyolefins. Polimer ini diproduksi melalui berbagai macam proses tapi proses tersebut tidak akan dibahas disini. Yang terpenting adalah metode dalam manufaktur untuk meng mengon ontr trol ol stru strukt ktur ur kimi kimiaa yang yang tepa tepatt akan akan memepengaruhi sifat dari polimer. Struktur hidro karbon yang terdapat diatas cukup sederhana tapi stru strukt ktur ur PE yang yang sebe sebena narn rnya ya lebi lebih h komp komple leks ks dari daripa pada da yang yang tert tertul ulis is diat diatas as.. Hany Hanyaa untu untuk k memuda memudahka hkan n pemaha pemahaman man maka maka akan akan dicupli dicuplik k sebagian saja. H
H
H
H
C
C
C
C
H
H
H
H
Gambar 1. Struktur Polietilena
Garis yang berlekuk lekuk diatas dimisalkan sebagai ”rantai karbon ”(chain) dan panjang dari rantai sangat menentukan berat molekul. Semakin panjang rantai maka akan memiliki berat molekul yang lebih besar daripada rantai yang pendek. Berat molekul (molecular weight) akan meningkat seiring meningkatnya jumlah grup molekul etilena. Polietilena yang biasa terdiri dari beberapa rantai dan panjangnya bervariasi. Oleh karena itu, PE (polietilena) terdiri dari rantai rantai polimer yang mempunyai berat molekul yang menyebar. Untuk isolasi PE pada kabel tegangan menengah, material polimer yang digunakan adalah ”high melecular” sehingga rata – rata panjang rantainya juga tinggi. Pernyataan umum bahwa semakin tinggi berat molekulnya maka akan semakin baik sifat dari isolasi tersebut. Berat molekul rata rata dapat dicari dengan beberapa cara. Istilah yang sering dipakai adalah ”weight average”(berat rata2) dan ”number average” (jumlah rata2). Definisi matematika dari ”weight average” dan ”number average” berhubungan dengan besar dan kecilnya ukuran molekul. Oleh karena itu berat dari berat rata rata molekul selalu lebih besar dari jumlah rata2nya. Semakin besar berat molekulnya maka akan memberikan sifat isolasi yang lebih baik pada saat diaplikasikan Hal penting lain yang perlu diperhatikan adalah bahwa rantai polietilena pada kenyataannya memiliki kecenderungan membentuk gulungan - -gulungan. Dengan kata lain ranatai tersebut tidak lurus tapi cenderung memiliki bentuk konfigurasi yang random (tak beraturan) layaknya mie dalam mangkuk.
Rantai tersebut juga tidak selalu berbentuk linier seperti pada gambar diatas. Namun, bisa juga membentuk rantai kesamping dari rantai utamanya yang disebut ”branching” atau pencabangan. Cabang cabang ini juga berkontribusi pada berat molekul. Dapet terjadi kemungkinan bahwa dua buah molekul yang memiliki berat molekul yang tepat sama tapi salah satunya memiliki rantai utama yang lebih panjang dan molekul dengan rantai utama yang lebih pendek memiliki cabang yang lebih panjang dari yang pertama. high density
medium density
Low density
Linear Low density Gambar 3. Struktur Polietilene
Berat molekul atau distribusi berat molekul adalah salah satu cara untuk mendeskripsikan karakteristik isolasi polietilena. Karakteristik penting lainnya adalah percabangan dan pengkristalan (branching and crystallinity). Polietilena dan beberapa poliolefin lain termasuk dalam polimer semikristal. Karakteristik ini didapat dari fakta bahwa ranatai polimer tidak hanya membentuk coil tapi bisa juga membentuk barisan yang sejajar antara satu sama lain. Barisan rantai ini menentukan pembentukan alami kristal dari polietilena dan juga densitynya. conventional polyetylene has many chains
chains have tendency to ciol
Gambar 2. Deskripsi sederhana rantai karbon random
Kecenderungan membentuk gulungan gulungan memungkin untuk saling membelit satu sama lain. Belitan belitan ( entanglement ) ini memberikan sifat yang baik pada PE tapi kurang baik dalam upaya menahan rembesan uap air.
align polietylene Gambar 4. macam bentuk ranatai polietilene
Bagian baris (align portion) tidak bisa membentuk gulungan (coil). Bagian yang tidak membentuk baris (align) akan menjadi coil. Bagian rantai yang membentuk baris disebut ”crystalline”
Crosslinked Polyetylene
Crosslinked berarti bahwa beberapa rantai polietilena berbeda dihubungkan menjadi satu. XLPE dapat dianggap sebagai polietilena bercabang dimana cabangnya dihubungkan dengan PE yang lain seperti yang diperlihatkan pada gambar berikut ini.
Gambar 5. Deskripsi sederhana crosslinked
Seperti yang telah dibahas sebelumnya conventional polietilene terdiri atas beberapa rantai polimer panjang yang terdiri atas kumpulan kumpulan etilene. Molekul individu sangatlah panjang. Rantai utamanya bisa terdiri atas 10.000 sampai 60.000 atom bahkan lebih. Cukup jelas bahwa proses croslink adalah cara untuk meningkatkan berat molekul, inilah yang sebenarnya terjadi. Perlu diperhatikan juga bahwa semua rantai tidak perlu menigkatkan berat molekulnya sebab jika croslink terus dilakukan makan berat molekul akan bertambah dengan sendirinya dan dimungkinkan memiliki berat molekul yang tidak terbatas. Salah satu cara untuk mengetahui apakah kita mempunyai polimer dengan berat molekul yang besar (high molecular weight polimer) ataukah XLPE adalah dengan mengecek daya larut (solubility) pada pelarut alami.(organic solvent ) seperti toluena, xylena, atau decalin. Polietilen biasa akan larut dalam pelarut organik ini. Tapi crosslinked polietilene tidak akan larut, hanya akan mengembang dan berbentuk gel. Cara lain untuk mengetahui apakah itu polietilen biasa ataukan XLPE yaitu dengan memasukkan sampel pada minyak silicon panas. PE biasa akan larut sedangkan XLPE akan terlihat lebih lentur (kenyal). Isolasi XLPE komersial juga memiliki fraksi ”sol”. Ini adalah bagian dari rantai polimer yang tidak bisa bergabung dengan jaringan rantai lainnya. Fraksi gel / sol dari XLPE berkisar antara 70% sampai 80%. Selanjutnya adalah cara - cara atau proses untuk menghasilkan crosslink. Proses crosslink rantai PE dapet dilakukan dengan beberapa cara, antara lain adalah :
•
Menggunakan Peroksida organik
•
Menggunakan Radiasi Energi tinggi
•
Memodifikasi struktur back bone rantai
masuk ke curing tube dimana suhu disini akan naik melebihi suhu pada ekstruder sehingga menyebabkan peroksida mengalami proses decompose dan akan melakukan proses crosslink. Peroxide induce crosslink menggunakan peroksida ini di desain agar secara intens mengalami dekomposisi pada suhu yang telah ditentukan setelah proses konversi butiran bahan PE menjadi isolasi (extruded). Untuk mendapatkan hasil yang baik dari proses ini maka peroksida harus seragam saat menyebar ke PE. Supaya keseragamannya tepat saat menjadi isolasi kabel maka suhu dan tekanan pada curing tube harus dijaga.
2. Gambar XLPE pada kabel 3 inti
Ini dimungkingkan untuk crosslink polietilena dengan menggunakan radiasi energi tinggi. Pancaran elektron dari alat khusus dapat menghilangkan elektron dari rantai polimer. Ini menyebabkan rantai polimer reaktif untuk berinteraksi dengan rantai lainnya, sehingga akan terjadi crosslink. Isotop Radioaktif dapat digunakan untuk tujuan yang sama. High Energy Radiation menyebabkan struktur kimia berubah tapi berbeda hasilnya akibat dengan peroksida. Faktor utama untuk menggunakan ini adalah peralatan radiasi yang lebih ekonomis. 3.
Gambar XLPE pada kabel 1 inti
1.
Peroxide induced crosslinked
Merupakan metode crosslink yang biasa digunakan untuk kabel tegangan menengah. Polietilene yang di crosslink dengan peroksida terdiri atas sejumlah kecil agen crosslink yang akan tersebar ke polimer. Agen agen ini adalah peroksida organik. Peroksida organik dalah larutan kimia yang stabil pada suhu kamar tapi akan menjadi rusak ( decompose ) saat terjadi kenaikan suhu. Terdapat berbagai jenis peroksida salah satunya adalah dicumyl peroxide yang umum digunakan untuk kabel tegangan tinggi dan menengah.peroksida ini biasanya telah tergabung dengan bahan butiran PE yang akan dimasak. Ketika polietilene di – extruded( proses perubahan bahan butiran PE menjadi isolasi kabel ) maka akan tetap stabil sebab suhu dekomposisi masish lebih tinggi daripada suhu ekstruksi. Setelah proses ekstruksi selesai dan PE telah melapisi konduktor dan konduktor shield, kabel akan
High Energy Radiation
Silane Induced Crosslinked
Ini juga dimungkinkan untuk memodifikasi polimer dengan menggunakan silane. Silane akan memepengaruhi uap dan leads supaya terjadi crosslink dengan rantai lainnya. Karena penetrasi uap adalah kunci dari proses crosslink maka jelas bahwa proses mendai lebih efisien.
Tree Retardant Crosslink Polyethylene
Selama bertahun tahun, banyak usaha yang dilakukan untuk meningkatkan performa dari PE konvensional dan XLPE agar lebih lama umur pemakaiannya dan lebih tahan terhadap water treeing. Zat additive ditambahkan pada isolasi untuk tujuan ini. Acetophenon digunakan untuk meningjatkan ketahanan terhadap water treeing. Dodecyl alcoholdigunakan sebagai aditif pada HMWPE, TR- XLPE sistem dibuat di Union Cambrige pada 1980an. Literatur patennya menunjukkan bahwa campuran dari aditifnya sama seperti yang ada sekarang ini. Informasi
historis dari tempat penyimpanan dan dikombinasi dengan data laboratorium, menunjukkan bahwa TR –XLPE dibenarkan adalah termasuk dalam kategori XLPE konvensional, meskipun banyak pendekatan pendekatan yang digunakan untuk mendapatkan material bahan isolasi tree retardant. Tabel 1. Perbandingan XLPE dan TR – XLPE
Crosslinked Poliethylene
Tree Retardant XLPE
XLPE
TR - XLPE
Residual amount dicumyl peroxide Crosslink product
agent
by
–
of Residual amount dicumyl peroxide
of
– Crosslink agent by – product
Terkadang lebih disukai untuk menambah monomer ketiga ke etilene propilene sebelumnya. Ini disebut dengan diene monomer dan digunakan untuk proses crosslink. Material ini disebut dengan EPDM dalam industri kabel, umumnya disebut dengan EPR. Bahan EPR dikenal sebagai elestomer. Semua elastomer konvensional memiliki perbedaan yang signifikan dengan polimer semicryistalline. Berkurangnya crystallinity berarti sifat kekerasan dan kekuatan daya rentang akan hilang. Ini berarti bahwa isolasi yang analogi dengan high molecular weight poliethylene tidak dapat di produksi dengan sebuah uncrosslinked ethylene polymer. Untuk meningkatkan sifat fisiknya, perlu menambahkan mineral inorganik pada campuran EPR. EPR resin juga harus di crosslink untuk memeberikan manfaat pada bahan isolasi. Jika tidak crosslink maka EPR akan tetap lunak dan kurang bagus digunakan sebagai isolasi.
Acetophenone
Acetophenone
Cumyl alcohol
Cumyl alcohol
Paper Insulated Cables
Alpha methyl styrene
Alpha methyl styrene
Antioxidant antioxidant by - product
Antioxidant plus some antioxidant degradation by - product
Merupakan salah satu jenis isolasi yang tertua sebagai material isolasi kabel tenaga. Kert as harus direndam dalam cairan dielektrik (biasanya minyak dari proses cracking, sekarang menggunakn minyak sintetis).
plus some degradation
Kertas didapat dari hasil pengolahan kayu. Kandungan utama dari kertas adalah : D.
1. 40 % cellulose
Ethylene Copolimer Iinsulation
Jika monomer etilena dipolimerisasi dengan propilena, maka copolimer yang dihasilkan disebut dengan ethylene propylene copolymer (EPR). Ratio etilene dengan propilene dapat bervariasi. Copolimer ini memiliki sifat yang berbeda dari polietilene.
H
H C= C
H
H
H
C= C H
H
H C H
H
2. 30 % Hemi cellulose 3. 30% Lignin Selulosa yang akan digunakan sebagai material isolasi harus dpisahakan dari bahan bahan lainnya Crosslinked polyethylene
Ethylene Propylene Rubber
Synthetic
Synthetic
Carbon / hydrogen
Carbon / hydrogen
Less polar, low losses
Losses due to additive
Chains branched, crosslinked
Chains branched, crosslinked
Non- fibril Slightly less crystalline vs PE
Non- fibril Least crystalline of all
Same thermal expansion as PE Slight thermal expansion
Gambar 6. Copolimer Etilene dan propilene
Crosslinked
Crosslinked
Degrade at weak link
Same as XLPE
melalui proses bleaching dengan sulfat atau sulfit. Hemiselulosa termasuk bahan non – fibrous. Lignin termasuk bahan material amorphous (tak berbentuk) dan berguna sebagai pengikat komponen lainnya.
Low Pemittivity(low dielectric constant) Low tan delta (low dielectris loss) High initial dielectric strength • Crosslinked polyethylene Sifat mekanis meningkat seiring kenaikan suhu Tidak meleleh pada1050C tapi terjadi pemuaian panas reduce susceptibility to water treeing • EPR reduce thermal expansion relative to XLPE reduce sensitivity to water treeing Increased Flexibility • PILC Kurang sensitif pada DC testing Reduce weight Accecories more easily applied Easier to applied No Hydraulic pressure/ pumping requirments Reduced risk of flame propagation Reduce initial cost Kesimpulan
Gambar 7 Isolasi kertas pada kabel bawah tanah
III.
Perbandingan Material Isolasi Tabel 2. perbedaan utama isolasi kertas dengan isolasi poliolefinic Paper /Cellulose Polyethylene
Natural
Synthetic
Carbon/ oxigen
hidrogen/Carbon / hidogen / oksigen
More polar / mediumLess polar, Low Losses losses Chains linear
Chains branched
Fibrils
Non fibrils
Partially Crystalline relatively constant
/Partially crystalline with grade employed
/ varies
Not Crosslinked
Thermal degradation via Degrades at weak link cleavage at weak link
IV.
Keuntungan pada tiap jenis material isolasi
•
Poly ethylene
Daftar Pustaka
1.
No thermal expansionSignificant thermal expansion on heating Not crosslinked
1. Material isolasi ada bermacam macam antara lain isolasi kertas, PE, XLPE, EPR. 2. Metode untuk pembuatan XLPE yaitu dengan melakukan Crosslink pada Polietilena. 3. Nilai Molecular weight bergantung pada panjang rantai karbon, banyaknaya cabang dan cristalline dari rantai karbon poliethylena tersebut. 4. XLPE merupakan material isolasi yang cukup baik dari pada material isolai yang lain.
www.google.com\xlpe-insulatedhigh-voltage-cable_299040_files Bruce S. Bernstein, adapted from 2. class notes from “Power Cable Enggineering Clinic,” Universiti of Wisconsin – Madison, 1997 3. Textbook of Polymer Science, F. W. Billimeyer, John Wiley and Sons.
