Metodologi untuk mengkaji kinerja isolasi polimer resin epoksi silane sebagai material isolator tegangan tinggi di daerah tropis

BERAHIM, Hamzah, Promotor Prof.Dr.-Ing. K. Tunggul Sirait

2005 | Disertasi | S3 Ilmu Teknik (Teknik Elektro)

Pemanfaatan resin epoksi secara ekstrim dalam pabrik dan industri, disebabkan oleh kekuatan mekaniknya yang tinggi, ringan, perekat yang baik antara material dengan metal, dan secara luas sebagai material isolasi untuk peralatan listrik karena watak utama kelistrikannya. Resin epoksi juga telah dikembangkan sebagai material isolator tegangan tinggi/ekstra tinggi pasangan luar (outdoor) pada sistem tenaga listrik. Bahan isolasi polimer resin epoksi ini, mempunyai kelebihan dan keuntungan bila dibandingkan dengan material konvensional seperti porselen, keramik, dan gelas. Terdapat beberapa kelemahan atau kerugian dalam penggunaan bahan isolasi polimer resin epoksi, sangat sensitif jika digunakan di daerah yang bersuhu tinggi, berkelembaban tinggi, dan adanya radiasi ultraviolet intensitas tinggi, akan menurunkan kinerjanya Kajian terhadap perbaikan kinerja telah dilakukan sehingga diperoleh bahan isolasi polimer resin epoksi silane yang merupakan nama baru bagi isolasi polimer termoset, diusulkan oleh peneliti, diperoleh dari hasil penelitian eksperimen yang telah dilakukan. Komposisi terdiri dari, bahan dasar DGEBA, bahan pengeras MPDA, dengan NS = 1, bahan pengisi pasir silika 325 mesh dicampur dengan silane, yang mengakibatkan bahan bersifat hidrofobik, merupakan temuan baru dalam penelitian ini. Bahan pengisi ini divariasi 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, dan 60 %, dengan perbandingan antara pasir silika dengan silane sama banyak. Bahan uji atau sampel dengan ukuran panjang x lebar x tebal adalah 70 mm x 70 mm x 5 mm, sehingga bahan isolasi polimer resin epoksi silane ada enam macam dengan kode bahan uji RTV21, RTV22, RTV23, RTV24, RTV25, dan RTV26. Sebagai pembanding adalah bahan isolasi resin epoksi, bahan pengisi hanya pasir silika 325 mesh, dengan variasi bahan pengisi, dan ukuran sampel sama dengan untuk bahan isolasi polimer RES, sehingga bahan uji pembanding ini juga ada enam macam, dengan kode bahan uji RTV11, RTV12, RTV13, RTV14, RTV15, dan RTV16. Pembuatan ke-12 sampel tersebut dengan vulkanisasi suhu ruangan. Penelitian dilakukan dengan dua cara, 1) penuaan secara alamiah, dengan terpaan iklim tropis, yaitu suhu, kelembaban, tekanan, kecepatan angin, curah hujan dan ultraviolet, bahan uji dipasang di dekat pantai Selatan, yaitu di Parangkusumo, Parangtritis, dari Yogyakarta ± 30 km kearah Selatan, selama 60 minggu, setiap dua minggu diamati kinerjanya, 2) penuaan dipercepat di laboratorium mempergunakan lemari uji dengan simulasi terpaan iklim tropis, selama 96 jam, setiap 12 jam diamati kinerjanya. Kinerja yang dipelajari dari kedua cara penelitian adalah tegangan lewat denyar (Vfo), arus bocor permukaan (Ilc), rapat endapan garam ekivalen (ESDD), sudut kontak hidrofobik (θh), diperoleh bahwa bahan isolasi polimer resin epoksi silane (RES) lebih unggul dari bahan isolasi polimer resin epoksi tanpa silane, yang dapat dilihat dari tampilan kurva tiga dimensi. Metodologi untuk mengkaji kinerja bahan isolasi polimer sebagai material isolator tegangan tinggi di daerah tropis, merupakan metode baru yang dijabarkan dari ilmu pengetahuan statistik, yaitu model regresi ganda. Program perhitungan mempergunakan Statistics Toolbox for use with matlab user’s Guide 2, dapat diimplementasikan pada bahan isolasi polimer resin epoksi silane sehingga diperoleh kesimpulan sebagai kontribusi dari disertasi. Kontribusi disertasi yang dimaksud merupakan hal-hal yang baru sebagai berikut, a) model matematis penuaan yang telah dibuktikan dengan mempergunakan data penuaan lapangan, maupun data penuaan dipercepat, b) satu komposisi bahan yang mempunyai kinerja optimal di daerah tropis adalah sampel dengan kode RTV24. Sampel ini juga telah dievaluasi dengan toolbox statistik SPSS yaitu Manova, c) prediksi waktu pelayanan (umur) sampel resin epoksi silane, tergantung [Vfo/L]kritis dan, desain, umur tertinggi yang diperoleh adalah untuk sampel dengan kode RTV24, d) korelasi penuaan alamiah dan dipercepat di laboratorium, diperoleh variabel prediktor intensitas ultraviolet 77 kali, suhu 2 kali, dan kelembaban 2 kali dari variabel prediktor penuaan alamiah di lapangan, nilai itu yang disebut dengan faktor percepatan. Penuaan di lapangan dengan waktu yang lama dan biaya tinggi, tidak perlu dilakukan, karena dapat diatasi oleh penuaan dipercepat di laboratorium selama 96 jam (empat siklus). Sebaliknya kajian kinerja penuaan dipercepat di laboratorium dapat diregresikan kembali untuk mengkaji kinerja penuaan di lapangan Kekuatan tarik dan kekerasan permukaan bahan isolasi polimer resin epoksi silane maupun tanpa silane akan meningkat sesuai dengan meningkatnya persentase bahan pengisi. Kekuatan tarik tertinggi 17,181 kgf/mm2 dan kekerasan permukaan tertinggi 37,75 kgf/mm2 untuk kode sampel RTV24 Analisis SEM dan FTIR terhadap enam komposisi bahan isolasi polimer resin epoksi silane, baik rujukan maupun yang telah mengalami penuaan 60 minggu di lapangan (Parangtritis) belum terjadi degradasi permukaan dan komposisi kimia permukaan masih tetap, berarti bahan ini mempunyai kinerja optimum di daerah beriklim tropis dengan polutan garam dari laut. Diperoleh satu komposisi bahan dengan kode sampel RTV24 yang kinerjanya optimal. Bahan isolasi polimer resin epoksi silane dengan komposisi bahan dasar DGEBA 30 %, bahan pengeras atau zat pematangnya MPDA 30 %, dan bahan pengisi pasir silika 325 mesh 20 % dicampur dengan silane 20 %, atau kode sampel RTV24, layak diusulkan sebagai material isolator tegangan tinggi di daerah tropis, sebagai pengganti bahan isolator keramik dan kaca.

Epoxy resins are extremely useful for industry and factory, because of their high mechanical strength, low density of mass, good adhesion to materials and metal, and are widely used as insulating materials for electrical apparatus because of their excellent electrical characteristics. As a thermosetting polymeric insulation, epoxy resin can be used for outdoor polymeric insulator for power system. It has some advantages compared to that of conventional materials such as porcelain, ceramics, and glasses that are commonly used. Apart from their several advantages, epoxy resins have some disadvantages. They are very sensitive if used at high temperature and in very humid areas, and also in areas where high intensity of ultra violet radiation exists, which will cause decreases of epoxy resin performances. The study towards improving the performance of the epoxy resin is conducted by adding silane treatment as filler, and a new performance in regard with hydrophobicity is realized. Silane epoxy resins are the name of the new thermosetting polymeric insulation materials that have been developed, with the material composition was obtained from the experimental research. The specimens of silane epoxy resins insulating materials are based on diglycidyl ether of bisphenol-A (dgeba), cured with metaphenylene-diamine (mpda), with stochiometric value (sv) of unity, and 325-mesh silica filler treatment. The amount of silane was varied and the vulcanization was conducted at room temperature. Variation of the filler are as follows: 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, and 60 % , with the same ratio of the 325-mesh silica and silane. The specimens used in this research are in square forms with dimension of 70 mm x 70 mm x 5 mm. So, there are six types of specimens coded, as follows: RTV21, RTV22, RTV23, RTV24, RTV25, and RTV26. There are also six types the epoxy resins insulation material with the filler without silane coded as follows: RTV11, RTV12, RTV13, RTV14, RTV15, and RTV16 . Experimental method for 12 types of specimens was carried out through the following procedure, 1) the specimens are installed on the Parangtritis natural aging test, located ± 30 km in the South of Yogyakarta for 60 weeks, and the performance observation are conducted every two weeks. This site has heavy coastal pollution as well as high sunny levels, 2) acceleration aging test on laboratory using a fog chamber for 96 hours, with simulated tropical climate, and performance observation was conducted every 12 hours. The observed performances from the two experimental methods are as follows : flashover voltage, leakage current on surface, equivalent salt deposit density, and the contact angle of the hidrophobicity. The results of experiment indicated that the silane treatment of the filler can improve overall electrical performance of the rtv epoxy resins silane, compared to the rtv epoxy resins without silane. Methodology to study the aging performance of the polymeric insulation materials for high voltage insulator in the tropical climate is the multiple regression model. The new methodology is derived from statistical science combined with statistics toolbox from matlab programme. It could be applied for silane epoxy resins, for some purposes, namely, 1) to prove aging mathematical model with the data from the natural and acceleration aging, 2) to determine optimal performance the sample in tropical climate, and the result is the sample coded RTV24, 3) to predict the lifetime of samples, depend on [Vfo/L]critical and design of the insulator, the highest result is the sample code RTV24, and 4) to determine the correlation between natural and acceleration aging test, in the form of acceleration factor, with turned out for ultraviolet radiation, temperature, and humidity are 77, 2, and 2 respectively. Using the results, natural aging test which takes long time and high cost is not necessary to be performed, since the accelerated aging performance could predict the performance of natural aging test. Analysis of microstructure of the surface with SEM indicated that the silane epoxy resins polymeric insulation materials with 60 weeks of aging did not show degradation on the surface of the specimens. Analysis of the chemical structure with FTIR spectroscopy indicated that the chemical structure of the silane epoxy resins polymeric materials with 60 weeks of aging, did not change, since the tops of infrared spectrum remained unchanged Analysis also showed that the better of mechanical tensile strength and hard value number of the surface are obtained for the silane epoxy resins. Based on the results of multiple regression model, it can be concluded that the silane treatment of the filler with the dose of 40 %, or specimen code of RTV24 gives optimal performance in the tropical climate. Therefore, these materials can be proposed as insulator materials for high voltage transmission line in tropical area, and as an alternative substitution for porcelain and glasses.

Kata Kunci : Ilmu Teknik,Bahan Listrik,Isolator Tegangan Tinggi,RES