KINERJA BAHAN ISOLASI CAMPURAN POLIMER EPOKSIPOLISILOKSAN DENGAN PENGISI ABU SEKAM PADI SEBAGAI MATERIAL ISOLATOR TEGANGAN TINGGI DI DAERAH BERIKLIM TROPIS

Arif Jaya, ST.,MT., Prof. Dr. Ir. Hamzah Berahim, M.T.

2013 | Disertasi | S3 Teknik Elektro

Resin epoksi adalah suatu bahan polimer termosetting. Bahan ini sangat baik digunakan untuk isolator tegangan tinggi atau ekstra tinggi pasangan luar pada sistem tenaga listrik. Bahan isolasi polimer resin epoksi memiliki beberapa kelebihan, antara lain: kekuatan dielektriknya tinggi, ringan, kekuatan mekaniknya tinggi, dapat dicampur dengan bahan aditif, dan penanganannya yang mudah jika dibandingkan dengan material isolasi porselen dan gelas yang saat ini masih banyak digunakan di Indonesia. Selain beberapa kelebihan yang dimiliki oleh bahan polimer resin epoksi, terdapat pula beberapa kelemahannya yaitu kinerja sifat tolak airnya rendah, sangat sensitif jika digunakan di daerah yang bersuhu tinggi, berkelembaban tinggi, dan adanya radiasi ultraviolet dengan intensitas tinggi yang akan menurunkan kinerjanya. Kondisi iklim seperti ini dijumpai pada daerah beriklim tropis di Indonesia.. Kajian ke arah perbaikan untuk meningkatkan kinerja isolator polimer resin epoksi telah dilakukan oleh peneliti, sehingga diperoleh bahan isolasi polimer EP-RHA yang merupakan nama baru yang diusulkan oleh peneliti. Bahan isolasi polimer EP-RHA dibuat pada vulkanisasi suhu ruangan dengan komposisi terdiri dari, bahan dasar epoksi DGEBA, bahan pengeras MPDA dengan perbandingan NS = 1, bahan pengisi abu sekam padi (RHA) 325 mesh yang dicampur polisiloksan (SiR) dengan variasi 10% (RTVEP1), 20%(RTVEP2), 30%(RTVEP3), 40%(RTVEP4), dan 50%(RTVEP5). Penggunaan abu sekam padi dan polisiloksan sebagai pengisi diharapkan dapat memberi sifat hidrofobik dan ketahanan fisik pada bahan isolasi polimer resin epoksi terhadap pengaruh iklim tropis. Penelitian ini dilakukan di Yogyakarta, Indonesia, yang mewakili daerah beriklim tropis. Penelitian ini dilakukan dengan dua cara, yaitu : 1) penuaan secara alamiah, dengan terpaan iklim tropis di lingkungan jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. Sampel uji bahan isolasi polimer EP-RHA dipasang di luar ruangan selama 52 minggu, dan kinerjanya diamati setiap 2 minggu; 2) penuaan dipercepat di laboratorium menggunakan lemari uji dengan simulasi terpaan iklim tropis buatan selama 96 jam, dan kinerja sampel uji diamati setiap 12 jam. Kinerja yang diamati pada penelitian ini adalah kekuatan mekanis, degradasi permukaan dan komposisi kimia permukaan bahan isolasi setelah mengalami penuaan, sudut kontak hidrofobik (h), rapat endapan garam ekivalen (ESDD), arus bocor permukaan (Ilc), dan tegangan lewat denyar (Vfo). Analisis kinerja bahan isolasi polimer EP-RHA menggunakan pendekatan statistik dengan model regresi. Hasil penelitian yang diperoleh merupakan kontribusi dari disertasi. Kontribusi disertasi yang dimaksud merupakan hasil temuan baru yang diperoleh antara lain : 1) diperoleh komposisi bahan isolasi polimer EP-RHA yang memiliki kinerja terbaik di daerah beriklim tropis, khususnya iklim tropis di Yogyakarta. Ini merupakan hal baru penggunaan bahan pengisi RHA pada bahan isolasi polimer epoksi-polisiloksan, 2) diperoleh prediksi umur bahan isolasi polimer EP-RHA di daerah beriklim tropis. Perhitungan ini dilakukan dengan menggunakan persamaan model eksponensial. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kekuatan mekanis bahan isolasi polimer EP-RHA turun dengan meningkatnya persentase polisiloksan dan pengisi RHA. Diperoleh penurunan kekuatan tarik sebesar 73,74%, modulus tarik sebesar 76,89% dan kekuatan tekan sebesar 79,77%. Degradasi permukaan bahan isolasi polimer EP-RHA menunjukkan terjadi retak mikro pada permukaannya. Pada penuaan secara alamiah keretakan mikro di permukaan bahan isolasi lebih dominan daripada penuaan dipercepat di laboratorium. Hasil foto SEM menunjukkan bahwa pada komposisi polisiloksan dan pengisi RHA sebesar 30% (RTVEP3) diperoleh keretakan mikro yang tidak signifikan di permukaan bahan isolasi polimer EP-RHA. Hasil analisis spektroskopi FTIR pada setiap variasi komposisi bahan isolasi polimer EP-RHA, baik penuaan secara alamiah maupun penuaan dipercepat di laboratorium belum terjadi perubahan komposisi kimia di permukaannya. Ini menunjukkan bahwa bahan isolasi polimer EP-RHA tahan secara kimia untuk waktu yang lama di daerah beriklim tropis. Sudut kontak hidrofobik bahan isolasi polimer EP-RHA naik dengan bertambahnya polisiloksan dan pengisi RHA. Pengaruh iklim tropis baik penuaan secara alamiah maupun penuaan dipercepat di laboratorium memberi kontribusi terhadap fluktuasi nilai sudut kontak selama penuaan. Perubahan kekasaran permukaan bahan isolasi akibat pengaruh iklim tropis menyebabkan sudut kontak hidrofobiknya cenderung naik. ESDD di permukaan bahan isolasi polimer EP-RHA lebih kecil pada persentase polisiloksan dan bahan pengisi RHA yang lebih besar. ESDD di permukaan bahan isolasi dipengaruhi oleh sifat hidrofobik dari bahan isolasi tersebut. Arus bocor permukaan bahan isolasi polimer EP-RHA lebih kecil pada persentase polisiloksan dan bahan pengisi RHA yang lebih besar. Kinerja sudut kontak hidrofobik, ESDD, dan arus bocor permukaan bahan isolasi polimer EP-RHA memberi kontribusi terhadap tegangan lewat denyar atau medan listrik. Hasil pengukuran tegangan lewat denyar standar rata-rata baik penuaan secara alamiah maupun penuaan dipercepat di laboratorium diperoleh nilai tertinggi pada sampel uji RTVEP3. Prediksi umur pakai bahan isolasi polimer EP-RHA di daerah beriklim tropis menunjukkan bahwa sampel uji RTVEP3 memiliki waktu pelayanan tertinggi, yaitu 12,90 tahun. Berdasarkan hasil kinerja setiap variasi komposisi bahan isolasi polimer EP-RHA dan lama waktu pelayanan di daerah beriklim tropis, diperoleh bahan isolasi polimer dengan komposisi bahan dasar DGEBA 35%, bahan pengeras MPDA 35%, dan bahan pengisi abu sekam padi 15% dicampur polisiloksan 15% (RTVEP3) yang layak diusulkan sebagai bahan isolasi untuk isolator tegangan tinggi di daerah beriklim tropis, sebagai alternatif pengganti isolator porselen dan gelas.

Epoxy resin is a thermosetting polymeric material. This material is very good for application of high or extra high voltage outdoor insulator in electrical power system. Epoxy resin polymeric insulating material has several advantages, i.e. high dielectric strength, light weight, high mechanical strength, easy to blend with additive, and easy maintenance if compared with that of porcelain and glass outdoor insulators which are commonly used especially in Indonesia. However, epoxy resin material has several disadvantage, i.e. has hydrophilic property, very sensitive in the environment with high temperature, humidity, and intensity of ultraviolet radiation which will cause decreases of epoxy resin performance. Such environment is commonly seen in tropical climate area in Indonesia. The study towards improving the performance of epoxy resin polymeric insulating material has been carried out, in order to obtain EP-RHA polymeric insulating material which is the new name proposed by researcher. EP-RHA polymeric insulating material was made in room temperature vulcanization with material composition: Diglycidyl Ether of Bisphenol A (DGEBA), Meta Phenylene Diamine (MPDA) as hardener with stochiometric value of unity, and 325 mesh Rice Husk Ash (RHA) filler mixed with Polysiloxane (SiR) with 10% (RTVEP1), 20%(RTVEP2), 30%(RTVEP3), 40%(RTVEP4), and 50%(RTVEP5) variation. The usage of polysiloxane and RHA as filler is expected to provide hydrophobic property and physical strength in epoxy resin polymeric insulating material against tropical climate effect. The research was conducted in Yogyakarta, a city in Indonesia that has typical tropical climate. The experiment was carried out by two methods: 1) the natural aging was installed with natural tropical climate exposure which was conducted at Electrical Engineering and Information Technology of Gadjah Mada University building, Yogyakarta, Indonesia. EP-RHA Polymeric insulating material test samples were placed outdoor for 52 weeks, and tested their performances every 2 weeks; 2) the accelerated aging in laboratory used a test chamber with artificial tropical climate exposure simulation for 96 hours, and EP-RHA test samples were tested their performances every 12 hours. The performances observed in this experiment were mechanical strength, surface degradation and surface chemical composition after aging, hydrophobic contact angle (h), equivalent salt deposit density (ESDD), surface leakage current (Ilc) and flashover voltage (Vfo). The performance analysis of EP-RHA polymeric insulating material uses statistical approach with regression model. The results of the experiment as the contribution of the dissertation are obtained, i.e. : 1) EP-RHA polymeric insulating material composition which has the best performance in tropical climate area. The usage of RHA filler in epoxypolysiloxane polymeric insulating material is a new application, 2) life time prediction of EP-RHA polymeric insulating material in tropical climate area. The calculation uses equation of exponential model. The results of experiment show that mechanical strength of EP-RHA polymeric insulating material decreases together with the increase of polysiloxane and RHA filler percentage. The percentage decrease of tensile strength is 73.74%, tensile modulus is 76.89% and compressive strength is 79.77%. Surface degradation of EPRHA polymeric insulating material shows microscopic crack on the surface of the material. An amount of microscopic crack on EP-RHA polymeric insulating material surface under natural aging is more than under accelerated aging in laboratory. Scanning Electron Microscope (SEM) image shows that composition of polysiloxane and RHA filler, 30% (RTVEP3), is obtained a less significant microscopic crack on the surface of EP-RHA polymeric insulating material. FTIR spectroscopy analysis shows that the chemical composition changes on the surface does not happen yet for each variation of EP-RHA polymeric insulating material composition, under natural aging and accelerated aging in laboratory. Therefore, EP-RHA polymeric insulating material is chemical resistant for a long time application in tropical climate area. Hydrophobic contact angle of EP-RHA polymeric insulating material increases together with the polysiloxane and RHA filler addition. Tropical climate effect from natural or accelerated aging contributes to the contact angle fluctuation during the aging process. Surface roughness changes due to tropical climate effect increases the hydrophobic contact angle. In EP-RHA polymeric insulating material with higher polysiloxane and RHA filler, results are: the ESDD on insulating material surface is lower, the surface leakage current is lower, and the hydrophobic contact angle is higher. The performances of hydrophobic contact angle, ESDD and surface leakage current of EP-RHA polymeric insulating material contribute to the flashover voltage or electric field. The highest average value of flashover voltage for natural aging and accelerated aging in laboratory is obtained RTVEP3 test sample. Life time prediction of EP-RHA polymeric insulating material in tropical climate area shows that RTVEP3 has the longest time, 12.90 years. Based on the performance of each EP-RHA polymeric insulating material composition and service duration in tropical climate area, polymeric insulating material is obtained with composition of 35% DGEBA base material, 35% MPDA hardener and 15% RHA filler with 15% polysiloxane (RTVEP3) which is proposed as a high voltage insulator material in tropical climate area as an alternative substitution of porcelain and glass insulators.

Kata Kunci : Isolasi polimer EP-RHA, Polimer epoksi-polisiloksan, Abu sekam padi, Material isolator tegangan tinggi