Makalah Tugas Mata Kuliah Teknologi Kabel Tenaga Listrik

Insulating Material For Cables / Material Isolasi Pada Kabel

Rezon Arif Budiman (L2F008082)rezon_arif@yahoo.com

Jurusan Teknik Elektro- Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro, Jln. Prof. Sudharto, Tembalang, Semarang

Abstrak – 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.

Dalam aplikasinya, fungsi isolasi pada kabel tenaga ternyata sangat penting mengingat daya yang disalurkan cukup besar. Material isolasi listrik yang digunakan pada kabel bawah tanah (underground cable) adalah bahan Polimer. Sebelum ditemukanya Polimer sintetis, isolasi yang 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 distribusi(15 kV – 35 kV), bahan utama isolasi yang digunakan adalah PE meskipun secara bertahap mulai beralih ke XLPE. Untuk tegangan rendah dimungkinkan menggunakan isolasi dari Polyvinyl chloride (PVC), silicone rubber(SIR), atau polimer lain yang telah tersedia dan mudah diproses.

Kata kunci : Isolasi, XLPE.

I. Pendahuluan

Kabel adalah salah satu bagian yang terpenting dari Sistem Tenaga Listrik yang berfungsi untuk menyalurkan (transmisi) energi listrik dari pusat pembangkit listrik sampai ke sisi konsumen.

Pada sistem transmisi listrik tegangan tinggi biasanya digunakan kawat kawat listrik yang di bentangkan melalui tower tower listrik. Kawat konduktor ini tidak diberi isolasi pada bagian luarnya. Sistem transmisi listrik yang lain adalah menggunakan sistem transmisi bawah tanah (underground). Pada sistem ini digunakan kawat kawat yang diberi isolasi pada bagian luarnya biasanya disebut dengan kabel bawah tanah. Isolasi pada kabel bawah tanah ini menjadi perhatian yang sangat penting mengingat daya yang ditransmisikan cukup besar.

Isolasi yang awalnya dipakai adalah isolasi dari bahan kertas dan menggunakan sistem oli bertekanan. Namun, sejak dikembangkannya Polimer Sintetis, secara bertahap isolasi kertas ini mulai ditinggalkan. Polimer ini dikembangkan lebih lanjut menjadi Polietilen kemudian dikembangkan lagi menjadi Crosslinked Polyethylene(XLPE). XLPE menjadi sangat popular dalam fungsinya sebagai bahan utama isolasi kabel, terutama untuk kabel bawah tanah yang bekerja pada rating tegangan yang tinggi.

II. Dasar Teori

A. Polyethylene (polietilena)

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-…

Polietilena termasuk dalam kelas polimer 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 mengontrol struktur kimia yang tepat akan memepengaruhi sifat dari polimer. Struktur hidro karbon yang terdapat diatas cukup sederhana tapi struktur PE yang sebenarnya lebih kompleks daripada yang tertulis diatas. Hanya untuk memudahkan pemahaman maka akan dicuplik sebagian saja.

Gambar 1. Struktur Polietilena

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

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.

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.

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

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”

B. 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

Gambar XLPE pada kabel 3 inti

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 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. High Energy Radiation

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. 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.

C. 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 of dicumyl peroxide

Residual amount of dicumyl peroxide

Crosslink agent by – product

Crosslink agent by – product

Acetophenone Acetophenone

Cumyl alcohol Cumyl alcohol

Alpha methyl styrene Alpha methyl styrene

Antioxidant plus some antioxidant degradation by - product

Antioxidant plus some antioxidant degradation by - product

D. 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.

Gambar 6. Copolimer Etilene dan propilene

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.

E. Paper Insulated Cables

Merupakan salah satu jenis isolasi yang tertua sebagai material isolasi kabel tenaga. Kertas harus direndam dalam cairan dielektrik (biasanya minyak dari proses cracking, sekarang menggunakn minyak sintetis).

Kertas didapat dari hasil pengolahan kayu. Kandungan utama dari kertas adalah :

1. 40 % cellulose

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 Non- fibril

Slightly less crystalline vs PE Least crystalline of all

Same thermal expansion as PE Slight thermal expansion

Crosslinked Crosslinked

Degrade at weak link Same as XLPE

C

H

C

H

H

H

= C CC

HH

H H

H

H

=

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.

Gambar 7 Isolasi kertas pada kabel bawah tanah

III. Perbandingan Material Isolasi Tabel 2. perbedaan utama isolasi kertas dengan isolasi poliolefinicPaper /Cellulose Polyethylene

Natural Synthetic

Carbon/ hidrogen/ oxigen

Carbon / hidogen / oksigen

More polar / medium losses

Less polar, Low Losses

Chains linear Chains branched

Fibrils Non fibrils

Partially Crystalline / relatively constant

Partially crystalline / varies with grade employed

No thermal expansion on heating

Significant thermal expansion

Not crosslinked Not Crosslinked

Thermal degradation via cleavage at weak link

Degrades at weak link

IV. Keuntungan pada tiap jenis material isolasi

• Poly ethylene

Low Pemittivity(low dielectric constant)Low tan delta (low dielectris loss)High initial dielectric strength

• Crosslinked polyethyleneSifat mekanis meningkat seiring kenaikan suhuTidak meleleh pada1050C tapi terjadi pemuaian panasreduce susceptibility to water treeing

• EPRreduce thermal expansion relative to XLPEreduce sensitivity to water treeingIncreased Flexibility

• PILCKurang sensitif pada DC testingReduce weightAccecories more easily appliedEasier to appliedNo Hydraulic pressure/ pumping requirmentsReduced risk of flame propagationReduce initial cost

V. Kesimpulan

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.

VI. Daftar Pustaka1. www.google.com\xlpe-insulated-high-

voltage-cable_299040_files2. Bruce S. Bernstein, adapted from class

notes from “Power Cable Enggineering Clinic,” Universiti of Wisconsin – Madison, 1997

3. Textbook of Polymer Science, F. W. Billimeyer, John Wiley and Sons.