Imron Ridzki, Prediksi Degradasi Isolasi Kabel XLPE, Halaman 29-48PREDIKSI DEGRADASI ISOLASI KABEL XLPE

Imron Ridzki1Abstrak

Tulisan ini membahas tentang pengujian isolasi kabel XLPE, sehingga dapatmemprediksi degradasi isolasi kabel XLPE. Metode yang dilakukan meliputipengujian respon dielektrik (PDC), analisis infra merah transformasi Fourier(FTIR), uji jarum, uji tembus, dan uji kekuatan tarik. Tulisan ini menyimpulkanbahwa degradasi isolasi kabel tidak dideteksi pada pengujian respon dielektrik.Perubahan kimia isolasi XLPE yang disebabkan oleh degradasi dapat dideteksimenggunakan analisis FTIR. Tegangan tembus pada uji jarum tidak berkaitandengan umur kabel. Kekuatan tarik yang rendah menunjukkan kerapuhan isolasikarena adanya degradasi kimia. Degradasi isolasi kabel XLPE tidak berkaitandengan umur kabel.Kata-kata kunci: degradasi, isolasi, kabel XLPE

AbstractThis paper discusses the insulations test of XLPE cable, so that the prediction ofinsulation degradation of XLPE cable could be done. The experiment methodsare dielectric response in time domain (PDC), Fourier transformed infraredanalysis (FTIR), needle testing, breakdown testing, and tensile strength testing.The research concludes that FTIR analysis can detect the chemical changes ofinsulation XLPE caused by degradation. There is no correlation betweenbreakdown voltage of needle testing and cable age. The low tensile strengthindicates the brittleness of insulation caused by chemical degradation. There isno correlation between insulation degradation of XLPE cable and cable age.Keywords: degradation, insulation, XLPE cable1. PENDAHULUAN

Kabel XLPE telah banyak digunakan dalam sistem tenaga listrik.Instalasinya ada yang dilakukan beberapa dekade yang lalu, sehinggaisolasinya cukup untuk mengalami degradasi.

Sistem isolasi kabel tegangan tinggi dan aksesorisnya mengalamiberbagai tekanan selama waktu pelayanannya, sehingga mengalamidegradasi dan kerusakan. Hal ini dapat mengakibatkan penurunan usia1 Imron Ridzki. Dosen Program Studi Teknik Listrik, Jurusan Teknik Elektro,Politeknik Negeri Malang.

layanan, sehingga dapat menurunkan keandalan sistem tenaga listrik.Oleh karena itu, banyak upaya penelitian untuk memahami degradasiisolasi dan memperkirakan sisa waktu layanan. Untuk memeriksa kualitasdan keterkaitan sistem kabel, perlu dilakukan pengujian diagnostiksebelum pengoperasian sistem kabel dan setelah periode tertentupengoperasian.

Makalah ini membahas pengujian kabel XLPE yang masih dalampenggunaan/pengoperasian dan mengambil sejumlah sampel untuk diujidi laboratorium. Hasil analisis diharapkan memberikan kondisi aktualtentang degradasi isolasi kabel.2. KAJIAN PUSTAKA2.1. Degradasi XLPE

Proses degradasi isolasi XLPE dapat dikategorikan menjadi duakelompok utama yaitu ekstrinsik dan intrinsik. Degradasi ekstrinsikdisebabkan oleh gelembung udara (void), kontaminan,ketidaksempurnaan fisik atau komponen yang kurang tersebar merata.Degradasi intrinsik disebabkan oleh perubahan fisik atau perubahankimia atau muatan-muatan yang terperangkap (Densley, et.al., 1993: 15-17). Proses degradasi intrinsik dapat mempengaruhi volume besar isolasi,misalnya degradasi termal bahan isolasi. Degradasi ekstrinsik biasanyamenyebabkan perubahan lokal bahan isolasi seragam.

Degradasi fisik, kimia dan listrik adalah mekanisme kerusakan utamayang mempengaruhi isolasi polimer. Polimer tidak akan mencapaistruktur kristal akhir setelah proses manufaktur. Proses curing akhirstruktur isolasi akan terjadi selama beberapa tahun, karena proses curingadalah proses yang lamban dimana lubang-lubang kecil dan area padatdapat terbentuk di dalam isolasi. Struktur isolasi yang tidak merata akanmeningkatkan efek degradasi listrik dan risiko tembus/kegagalan listrik.Isolasi polimer sensitif bahkan terhadap pelepasan kecil (Hyvnen, et.al.,2001). Struktur molekul polyethylene dimodifikasi oleh degradasimekanik. Tekanan mekanik diketahui mengakibatkan bonds deformation,radikal bebas dan terpisah, dan carbonyl croups dalam polyethylene(Crine, 2005: 791-800).2.2. Metode Diagnostik

Metode diagnostik bertujuan untuk mendeteksi kondisi aktual isolasiatau mendeteksi perubahan struktur isolasi. Metode diagnostik bisadilakukan di lokasi pemasangan kabel atau di lain tempat. Idealnya

Imron Ridzki, Prediksi Degradasi Isolasi Kabel XLPE, Halaman 29-48metode diagnostik dilakukan di sistem isolasi yang sesungguhnya dantidak merusak sistem.

Tabel 1. Metode DiagnostikMetode Diagnostik Indikator Keterangan

Dielectric response intime domain (PDC)

Pohon air, air Offline, on site, nondestructive

Frequency domain infrared spectroscopy (FTIR)

Air, perubahan kimia Offline, off site,destructive

Needle testing Tegangan Offline, off site,destructive

Breakdown testing Tegangan Offline, off site,destructive

Tensile strength andelongation

Kekuatan bahan,kekakuan

Offline, off site,destructive

3. PEMBAHASAN3.1. Data Kabel XLPE

Kabel XLPE yang diteliti adalah kabel yang telah dipasang dandioperasikan. Data kabel XLPE dan metode pengujiannya tercantum padatabel 2.

Tabel 2. Data kabel XLPE dan Metode PengujianKode Kabel Tipe Tahun

InstalasiPengujian

1,3 AHXCMK 3x95/70 1995 PDC, FTIR, NT,BD

2,4,8 AHXDMK 3x50/16 1980 PDC, FTIR, NT,BD

5,7,9,10 AHXDMK 3x50/16 1980 PDC, FTIR, BD6 AHXDMKG

3x120/251980 PDC, FTIR, NT,

BD12 HXCMK 3x35 1977 PDC, FTIR, NT,

BD32 AHXAMK-W 1996 NT36 AHXCMK 3x95/70 1977 FTIR,BD37,38,40,41 AHXDMK 3x50/16 1977 FTIR, BD39 AXKJ 3x120/16 1977 FTIR, BD42,44 AHXDMK 3x95/25 1977 FTIR, BD46,47,48 AHXDMK 1x630/50 1977 FTIR50 AHXAMK-W 2006,

REFERENSIPDC, FTIR, NT

Kabel XLPE itu dipasang di dalam saluran (duct) dan dioperasikanpada kondisi lingkungan yang baik, serta pembebanannya stabil. KabelXLPE produksi tahun 2006 dijadikan sebagai acuan pengujian. Kabelpengujian itu terbagi atas 2 jenis konstruksi. Kabel 1, 3, 6, 36, dan 39mempunyai lapisan kawat tembaga yang melingkupi ketiga fasa, tidakmenggunakan pentanahan fasa yang terpisah. Laminasi metal kedap airtidak digunakan pada kabel jenis ini. Pada jenis yang lain mempunyailapisan tembaga yang terpisah pada tiap-tiap fasa, kecuali kabel referensi(50) dan 32 yang mempunyai lapisan aluminium yang membungkus tiap-tiap fasa. Lapisan metal melingkupi isolasi kabel memberikan penghalangkedap air terhadap kelembaban. Kedua jenis konstruksi kabel XLPE ituditunjukkan gambar 1 dan gambar 2.

Gambar 1. Kabel XLPE jenis AHXCMK (AXJK)

Gambar 2. Kabel XLPE jenis AHXDMK3.2. Dielectric Response

Pengukuran respon dielektrik dalam domain waktu (PDC) dilakukanpada tiap-tiap fasa kabel. Ujung-ujung kabel yang tidak digunakan untukterminasi dikupas untuk pengukuran. Pengukuran itu menggunakan alatukur insulation resistance meter.

Hasil pengukuran PDC ditunjukkan gambar 3, arus polarisasi rendahdan kadang-kadang negatif. Arus depolarisasi juga rendah. Jadi sangattidak mungkin menyusun kabel-kabel uji dalam peringkat kelas kondisiyang berbeda, berdasarkan hasil pengukuran PDC. Sehingga degradasiisolasi kabel tidak dideteksi pada pengujian ini.

Imron Ridzki, Prediksi Degradasi Isolasi Kabel XLPE, Halaman 29-48

Gambar 3. Hasil pengukuran PDC salah satu sampel3.3. Analisis Fourier Transformed Infrared (FTIR)

Spektrum FTIR untuk kabel nomor 50 ditunjukkan gambar 4.Baseline correction diaplikasikan dengan mengurangkan nilai rata-ratawavenumber dari 1900 cm-1 sampai 2400 cm-1 dari tiap responwavenumber. Respon wavenumber 2923 cm-1 diatur 10 unit selamanormalisasi. Pita pada 2923, 2852, 1466, 1369, dan 720 cm-1 berkaitandengan karakteristik mode vibrasi struktur CH2 jenuh pada polietilen.Pita-pita lemah pada 3600-3200 cm-1 dan 1740 cm-1 menunjukkanmasing-masing keberadaan sejumlah kecil hydrogen bonded hydroxylgroup dan struktur carbonyl. Biasanya pita ini cocok untuk kabel baru,karena degradasi polimer selama proses dan sisa-sisa additif persilangan(Hyvonen, et.al., 2007).

Oksidasi isolasi XLPE adalah salah satu mekanisme degradasi yangutama. Dari spektrum FTIR dapat dievaluasi tingkat oksidasi. Indekkarbonil memberikan informasi reaksi polimer dengan oksigen. Adabeberapa rasio yang berbeda untuk menentukan tingkat oksidasi. Sebagaicontoh, rasio pita yang dapat digunakan untuk menentukan indekkarbonil, yaitu: 1710 cm-1 dan 1470, 1710 dan 1380, 1724 dan 1898,1735 dan 1369 (Hyvonen, et.al., 2007).

Gambar 4. Spektrum FTIR kabel nomor 50Perhitungan indek karbonil berdasarkan efek oksidasi pada 1710-

1740 cm-1 (pita peregangan karbonil). Daerah itu dibandingkan dengandaerah yang tidak atau sedikit pengaruh oksidasinya. Indek karbonilberbeda ditunjukkan pada tabel 3.

Tabel 3. Indek KarbonilNo. Indek A

1735/1369Indek B1710/1470

Indek C1710/1380

Umur(Tahun)

1 0,36 0,049 0,45 112 0,40 0,042 0,46 263 0,53 0,073 0,84 114 0,30 0,049 0,36 265 0,43 0,036 0,29 266 0,21 0,027 0,26 267 0,47 0,058 0,37 268 0,53 0,037 0,45 269 0,32 0,040 0,30 2610 0,52 0,025 0,19 2612 0,47 0,084 0,66 2936 0,38 0,040 0,34 2937 0,58 0,064 0,47 2938 0,44 0,048 0,43 2939 0,40 0,062 0,41 2940 0,38 0,046 0,39 2941 0,40 0,054 0,42 2942 0,30 0,045 0,38 2944 0,34 0,046 0,38 2946 0,61 0,065 0,50 2947 0,51 0,048 0,41 2948 0,56 0,066 0,54 2950 0,39 0,044 0,44 3

Imron Ridzki, Prediksi Degradasi Isolasi Kabel XLPE, Halaman 29-48

Perhitungan rasio antara wavenumber 1724 dan 1898 cm-1 tidakberalasan karena respon pada wavenumber 1898 cm-1 adalah negatif.Faktor korelasi Pearson antara indek-indek karbonil yang berbeda beradapada 0,46 sampai dengan 0,83. Perhitungan faktor korelasi Pearsonmenunjukkan bahwa korelasi antara umur kabel dan indek karbonil kabeladalah lemah, kurang dari 0,2 untuk semua kasus.

Spektrum FTIR dari beberapa kabel yang berbeda mengungkapkanbeberapa struktur kimianya. Tabel 3 menunjukkan bahwa indek-indekkarbonil kabel 3, 8, 37, 46 dan 48 menunjukkan tingkat oksidasi tinggi.Spektrum FTIR kabel-kabel ini dan kabel baru (50) ditunjukkan gambar5.

Gambar 5. Spektrum FTIR kabel 3, 8, 37, 46, 48, dan 50Dari gambar 5 terlihat bahwa intensitas relatif karakteristik pita

polietilen adalah mirip pada semua sampel. Proses penuaanmeningkatkan pita peregangan hidroksil pada 3300 cm-1 dan pitaperegangan karbonil pada 1740 cm-1. Wavenumber pita karbonilmenunjukkan peningkatan konten aldehida dan kemungkinan ester juga.Sedangkan keton yang merupakan hasil oksidasi polietilen, mempunyaipita penyerapan pada 1714 cm-1 ketika tidak terlihat perubahan yangberarti. Sebaliknya, tinggi pita pada 1651 cm-1 terlihat bervariasi untuksampel-sampel itu. Kondisi itu dijelaskan oleh keberadaan karbonilkonjuget pada sampel-sampel, seperti pada gambar 6.

Gambar 6. Spektrum FTIR diperbesar kabel 3, 8, 37, 46, 48, dan 50Perubahan kimia pada isolasi XLPE yang disebabkan oleh degradasi

dapat dideteksi menggunakan analisis FTIR. Perubahan itu agak kecil,tetapi dapat terdeteksi dengan jelas. Indek karbonil berkaitan denganoksidasi isolasi kabel. Karena umur kabel tidak mempengaruhi secarasignifikan terhadap indek karbonil, maka indek karbonil dapat secaralangsung berkaitan dengan derajat degradasi isolasi. Indek karbonil dapatmengklasifikasikan kabel ke dalam kelas-kelas kondisi yang berbeda(Leguenza, et.al, 2004: 406-417).3.4. Uji Jarum (Needle Testing)

Pengujian tembus jarum diterapkan pada kabel 1, 2, 3, 4, 6, 8, 12, 32dan 50. Ada 10 sampel kabel dari tiap-tiap kabel. Tujuan pengujian iniadalah untuk menguji lapisan isolasi setebal 2 mm dari tiap-tiap kabel.Sebuah jarum tajam dimasukkan ke dalam isolasi kabel menggunakanpengendali. Kedalaman jarum diatur oleh dial indicator. Kuat medanlistrik maksimum Emaks pada tegangan uji U disajikan oleh persamaan 1.

rd4ln.r

U2Emaks (1)

dengan:r : radius ujungd : ketebalan isolasi

Imron Ridzki, Prediksi Degradasi Isolasi Kabel XLPE, Halaman 29-48Hasil uji jarum ditunjukkan pada tabel 3.3. Perhitungan itu

berdasarkan pada hasil N pengukuran, variasi dari 10 hasil artinya bahwatingkat tegangan tembus kadang-kadang lebih dari 31 kV.

Tabel 4. Hasil uji jarum

Kabel N UmurRata-RatakV

DeviasiStandar

kVMediankV

NilaiMin.kV

NilaiMaks.kV

KekuatanMedanListrikMaks.MV/mm

2 10 26 24,81 4,32 25,50 18,97 30,00 3,8612 10 29 24,08 3,34 24,00 18,94 29,00 3,741 9 11 23,31 3,64 24,34 15,93 27,67 3,628 10 26 22,80 4,12 23,11 15,97 29,02 3,5432 10 9 22,20 5,18 20,68 14,73 29,51 3,454 8 26 22,19 6,06 22,46 13,46 31,34 3,4550 10 3 21,33 3,75 19,49 17,00 27,77 3,313 10 11 20,87 5,15 19,92 13,48 28,35 3,246 10 26 20,22 4,63 20,44 14,94 25,86 3,14

Pada tabel 4, kabel-kabel diurutkan berdasarkan tegangan tembusrata-rata. Perhitungan kekuatan medan listrik maksimum berdasarkanasumsi bahwa radius ujung jarum adalah 1,5 m dan ketebalan isolasi 2mm.

Berdasarkan hasil tersebut, terlihat bahwa tegangan tembus pada ujijarum tidak berkaitan dengan umur kabel. Faktor korelasi Pearson untukumur kabel dan tegangan tembus rata-rata adalah 0,39, menunjukkankorelasi positif lemah. Perbedaan antara tegangan tembus rata-ratatertinggi dan terendah hanya 18,5%.

Evaluasi unjuk kerja kabel berdasarkan tingkat tegangan tembus rata-rata adalah tidak tepat. Isolasi kabel hanya sekuat pada titik terlemah. Halitu berarti bahwa satu atau dua hasil pengukuran tegangan tembus tidakmempengaruhi secara signifikan pada seluruh unjuk kerja kabel jikategangan tembus rendah diukur dengan benar. Jika diasumsikan bahwapengukuran dapat diandalkan dan satu dari sepuluh pengujian dilakukanmendekati titik terlemah isolasi kabel, maka hasil itu dapat diurutkanberdasarkan nilai minimum tegangan tembus. Hasil berdasarkan nilaiminimum tegangan tembus ditunjukkan pada tabel 5.

Tabel 5. Hasil uji jarum diurutkan berdasarkan nilai minimum tegangantembus

Kabel MinimumkV

Umur(Tahun)

Metallic screen type2 18,97 26 Copper foil12 18,94 29 Copper foil50 17,00 3 Aluminium laminate8 15,97 26 Copper foil1 15,93 11 Copper wires6 14,94 26 Copper wires32 14,73 9 Aluminium laminate3 13,48 11 Copper wires4 13,46 26 Copper foil

Faktor korelasi Pearson 0,24 menunjukkan bahwa ada korelasi lemahantara nilai minimum tegangan tembus dan umur kabel. Kabel nomor 50pada posisi tertinggi jika kabel-kabel itu diurutkan berdasarkan nilaiminimum tegangan tembus.

Permasalahan yang berkaitan dengan perbandingan hasil-hasilpengukuran menggunakan tegangan tembus (dalam kV) adalah waktuuntuk tembus tidak dipertimbangkan. Pengukuran tembus dapat dianalisismenggunakan energi tembus sebagai perkalian dari tegangan uji danwaktu uji. Perhitungan energi tembus ditunjukkan pada tabel 6.

Tabel 6. Hasil uji jarum berdasarkan energi tembus minimumKabel

MinimumkVmin

Rata-ratakVmin

DeviasistandarkVmin

MediankVmin

MaksimumkVmin

2 173,8 299,2 97,7 309,3 432,712 163,4 269,8 73,0 266,1 388,050 131,8 212,6 87,3 172,9 372,21 116,0 285,3 102,0 267,9 482,58 114,0 246,0 90,4 244,4 386,432 102,8 235,5 105,3 195,6 389,86 94,4 196,8 91,1 188,2 313,54 79,9 247,7 131,1 249,6 474,93 77,3 210,7 108,1 180,5 383,7

Rangking kabel hampir sama dengan tabel 4. Faktor korelasi Pearsonuntuk umur dan nilai minimum energi tembus adalah 0,22.

Imron Ridzki, Prediksi Degradasi Isolasi Kabel XLPE, Halaman 29-48Jadi jelas terlihat bahwa tidak mungkin menyusun kabel dalam kelas

kondisi yang berbeda dengan perbandingan langsung hasil-hasilpengukuran. Perbedaan diantara kabel-kabel itu kecil. Analisis statistikdapat digunakan untuk evaluasi jika ada perbedaan antara hasil-hasil ujikabel.

Uji Mann-Whitney adalah uji rangking 2 sampel kesamaan median 2populasi. Hipotesis uji Mann-Whitney yaitu H0: median populasi 1 samadengan median populasi 2 versus H1: median populasi 1 dan populasi 2adalah berbeda. Uji Mann-Whitney mengasumsikan bahwa data adalahsampel acak bebas dari 2 populasi yang mempunyai bentuk sama dankontinyu, atau ordinal jika diskrit.

Uji Kruskal-Wallis adalah uji kesamaan median dari 2 atau lebihpopulasi. Hipotesis uji Kruskal-Wallis yaitu: H0: tidak ada perbedaanantara median sampel-sampel versus H1: ada perbedaan antara median 2sampel. Asumsi untuk uji ini bahwa sampel-sampel dari populasi berbedaadalah sampel acak bebas dari distribusi kontinyu, dengan distribusi yangmempunyai bentuk sama.

Hasil uji Kruskal-Wallis adalah kemungkinan perbedaan antara datayang terjadi karena kesempatan. Hasil uji Kruskal-Wallis untuk semuahasil tegangan tembus uji jarum adalah 0,431. Karena nilai itu lebih dari0,05, maka hipotesis H1 tidak berlaku dan hipotesis H0 dapat diterima.Berdasarkan hasil uji Kruskal-Wallis, tidak ada alasan untukmenyimpulkan bahwa semua median berbeda untuk sampel kabel uji. Halitu tidak berarti bahwa median-median adalah sama. Tidak ada buktibahwa semua median berbeda. Hasil uji Mann-Whitney untuk pasangankabel berbeda ditunjukkan tabel 7.

Tabel 7. Hasil uji Mann-Whitney untuk pasangan kabelKabel 1 2 3 4 6 8 12 32 501 1,002 0,44 1,003 0,35 0,08 1,004 0,87 0,31 0,79 1,006 0,15 0,03 0,68 0,38 1,08 0,71 0,34 0,38 0,91 0,31 1,0012 0,84 0,43 0,16 0,52 0,08 0,57 1,032 0,84 0,31 0,62 0,79 0,38 0,73 0,52 1,0050 0,31 0,09 0,68 0,97 0,34 0,47 0,12 0,68 1,00

Nilai hasil uji Mann-Whitney adalah probabilitas aktual dariperbedaan yang terjadi karena kesempatan. Pasangan yang mempunyainilai uji lebih kecil dari 0,05 adalah kabel 2 dan kabel 6. Denganpasangan ini, hipotesis H0 harus dibuang dan hipotesis H1 diterima.Median hasil uji jarum kabel 2 dan kabel 6 adalah berbeda. Hasil daripasangan lainnya tidak memberikan alasan untuk menyimpulkan bahwasemua median berbeda. Hal itu tidak berarti bahwa median-median itusama, tetapi tidak ada bukti bahwa median-median itu berbeda.

Analisis statistik menunjukkan bahwa hanya ada perbedaan yang 1perbedaan antara kabel 2 dan kabel 6. Kabel-kabel itu mempunyai umuryang sama tetapi desain berbeda. Kabel 2 mempunyai sebuah lapisantembaga dan kabel 6 mempunyai lilitan helikal kawat tembaga. Desainkabel sedikit mempengaruhi unjuk kerja isolasi, tetapi sebaliknya sangatjelas bahwa uji jarum tidak secara jelas memperingkatkan kabel uji dalamkelas kondisi berbeda.

Dalam uji jarum, kekuatan medan listrik maksimum yangmenentukan fenomena tembus. Kekuatan medan listrik maksimum adalahbeberapa orde lebih tinggi daripada kekuatan medan listrik rata-rata.Contohnya, jika diasumsikan ketebalan isolasi 2 mm, radius ujung jarum1,5 m dan tegangan uji 22 kV, medan listrik maksimum 3420 kV/mmdan kekuatan medan listrik rata-rata 11 kV/mm. Pencitraan mikroskopikuji jarum menunjukkan bahwa variasi radius ujung jarum diabaikan.Pemasukan jarum ke dalam isolasi kabel menyebabkan ketidakpastiandalam hasil pengukuran. Jika diasumsikan bahwa ketidakpastian totaldalam ketebalan isolasi d adalah 1 mm, berarti ketebalan isolasisebenarnya berkisar 1 mm sampai dengan 3 mm, kekuatan medan listrikmaksimum berkisar antara -4,5% sampai dengan 8,8% dari nilai nominal.Ketidakpastian total bisa meliputi pembengkokan kabel dan jarum,ketebalan isolasi dan selaput konduktor, isolasi asimetris, dll.3.5. Uji Tembus (Breakdown Testing)

Uji tembus (breakdown testing) dilakukan pada kabel nomor 1 10,12, 36 42, dan 44. Ketiga fasa kabel diuji secara terpisah. Secarakeseluruhan ada 57 uji. Pada awal pengujian, tegangan dinaikkan ketegangan nominal fasa ke tanah (U0) kabel. Tegangan dijaga pada tingkattersebut selama 5 menit. Setelah itu tegangan dinaikkan dengan langkahsebesar U0 sampai terjadi tembus. Tiap langkah dilakukan selama 5menit. Tingkat tegangan yang dapat ditahan dari uji tembus ditunjukkangambar 7.

Imron Ridzki, Prediksi Degradasi Isolasi Kabel XLPE, Halaman 29-48

Gambar 7. Tingkat tegangan yang dapat ditahan pada uji tembusTingkat tegangan yang dapat ditahan bervariasi dari 5 kali U0 sampaidengan 14 kali U0. Kabel 6L2 diuji sampai pada tingkat tegangan 15 kali

U0, dan karena tembus tidak terjadi pada tingkat ini dan pengujiandihentikan. Alasan penghentian pengujian bahwa jika pengujiandilanjutkan berarti bahwa tingkat tegangan yang dapat ditahan dariterminasi uji dapat dilampaui. Tingkat tegangan yang dapat ditahan kabelbaru berkisar antara 25U0 30U0.

Nilai tengah tingkat tegangan yang dapat ditahan adalah 8,04U0 dandeviasi standarnya 2,43U0. Tingkat tegangan yang dapat ditahan daridesain kabel kawat tembaga lilitan lebih tinggi daripada nilai tengahtegangan tembus. Tingkat tegangan kabel lapisan tembaga adalah lebihrendah daripada nilai tengah, kecuali untuk tingkat tegangan kabel 4 dankabel 12. Hasil itu jelas menunjukkan bahwa tidak ada korelasi antaraumur layanan kabel dan tegangan tembus. Faktor korelasi Pearson untukumur layanan kabel dan tegangan tembus adalah -0,30. Hasilnyamenunjukkan bahwa desain kabel mempengaruhi tingkat tegangan yangdapat ditahan. Unjuk kerja yang lebih lemah dari kabel jenis lapisantembaga adalah lekukan-lekukan pada lapisan semikonduktif luar yangdisebabkan oleh lapisan tembaga. Lekukan-lekukan ini diteliti padaseluruh panjang kabel, dan dapat menimbulkan peningkatan medan listriklokal yang menyebabkan tembus yang lebih awal.

3.6. Kekuatan TarikPengukuran kekuatan tarik dilaksanakan pada kabel 1, 2, 3, 4, 6, 8,

12, dan 50. Sampel isolasi diambil dari sampel kabel dan penentuansampel kekuatan tarik diulangi 6 kali. Uji kekuatan tarik ini berdasarkanstandar IEC 60811-1-1 (Anonymous, 2001). Nilai tengah kekuatan tarikdan perpanjangan pada saat rusak ditunjukkan pada tabel 8.

Tabel 8. Kekuatan tarik dan perpanjangan1 2 3 4 6 8 12 50

KekuatanTarik N/mm2

25,7 26,2 27,0 25,0 27,3 26,7 17,5 25,0Perpanjangan 531 518 547 537 545 525 552 483

Berdasarkan standar IEC 60502-2, syarat standar untuk kabel baruyaitu: kekuatan tarik lebih dari 12,5 N/mm2 dan perpanjangan saat rusaklebih dari 200% (Anonymous, 2005). Semua kabel uji telah memenuhisyarat-syarat itu. Hanya kabel 12 yang berbeda dengan yang lain. Kondisiini merupakan indikasi degradasi kimia yang menyebabkanberkembangnya kerapuhan dalam isolasi kabel.3.7. Analisis Diagnostik

Hasil analisis dari berbagai pengujian menunjukkan bahwa degradasiisolasi kabel tidak berkaitan dengan umur kabel. Proses degradasieksogen seperti degradasi termal, lebih dari degradasi sendiri/internal,memegang peranan yang lebih penting dalam semua degradasi.

Rangkuman hasil pengukuran diagnostik untuk kabel 1, 2, 3, 4, 5, 6,7, 8, 9, 10, 12, dan 50 ditunjukkan dalam tabel 3.8. Hasil pengukuranrespon dielektrik diabaikan, karena hasil dari kabel-kabel yang berbedatidak saling berbeda satu dengan yang lainnya. Faktor korelasi dihitungantara pasangan parameter berbeda. Hasilnya menunjukkan bahwakorelasi kurang dari 0,5 antara tiap pasang.

Imron Ridzki, Prediksi Degradasi Isolasi Kabel XLPE, Halaman 29-48Tabel 9. Hasil analisis diagnostik

ID Umur Indek karbonilTeg.

TembusUji

Jarum

EnergiTembusUji

Jarum

Teg.yg dptDi

tahan

KekuatanTarik

JenisLapisanMetalik

A B C (kV) (kVmin) (kV) (N/mm2)1 11 0,36 0,049 0,45 23,31 116,0 59,9 25,7 H2 26 0,43 0,042 0,46 24,81 173,8 29,0 26,2 T3 11 0,56 0,073 0,84 20,87 77,3 54,1 27 H4 26 0,39 0,049 0,36 22,19 79,9 67,7 25 T5 26 0,48 0,036 0,29 - - 29,0 - T6 26 0,21 0,027 0,26 20,22 94,4 78,3 27,3 H7 26 0,47 0,058 0,37 - - 32,9 - T8 26 0,53 0,037 0,45 22,80 114,0 32,9 26,7 T9 26 0,41 0,04 0,30 - - 32,9 26,7 T10 26 0,52 0,025 0,19 - - 29,0 - T12 29 0,47 0,084 0,66 24,08 163,4 56,1 17,5 T50 1 0,39 0,044 0,44 21,33 131,8 - 25,0 Al

Efek konten karbonil pada unjuk kerja isolasi polimer tergantungpada tekanan yang terjadi pada isolasi. Mekanisme awal daerah yangmemburuk dan pohon listrik (electrical tree) yang disebabkan olehtekanan arus bolak-balik yang tergantung pada keberadaan oksigen(Shimizu, et.al., 1992: 513-518). Keberadaan kelebihan C==O (grupkarbonil) dan ikatan ganda C==C mendorong terjadinya pemotonganrantai dan pembentukan radikal bebas. Pada kondisi bebas oksigen,hantaman langsung carrier yang dipercepat atau sinar UV pada polimerdapat membentuk sejumlah pemotongan rantai pada kerapatan rendahpada daerah yang relatif besar selama aplikasi tegangan AC (Shimizu,et.al., 1992: 513-518). Dekomposisi bertahap dipertimbangkan untukmembentuk banyak celah udara kecil dan menghancurkan struktur pipih.Pada kondisi banyak oksigen, pemotongan utama terjadi dengan suksesdari rantai rusak pertama melalui oksidasi sendiri, memungkinkanpembentukan celah udara besar, sebagai awal dari saluran pohon listrik.Pada uji jarum, daerah yang memburuk (konten karbonil meningkat) padapolietilen meningkatkan resistansi pohon listrik untuk tegangan ACtanjakan (ramp) dan tegangan impuls positif (Shimizu, et.al., 1992: 513-518). Perubahan struktur polietilen pada daerah yang rusak merupakanpenyebab untuk kondisi itu. Daerah yang memburuk dapat memperbaikiunjuk kerja isolasi secara lokal. Observasi mikroskop elektronmenunjukkan banyak celah udara kecil dan retakan pada daerah yangmemburuk dan struktur lamellar polietilen dihancurkan dalam daerahyang rusak isolasi. Jumlah pemotongan rantai diakumulasi pada

kerapatan rendah selama penggunaan tegangan AC yang lama padadaerah yang rusak, membentuk celah udara kecil dan penghancuranstruktur pipih (Shimizu, et.al., 1992: 513-518).

Umur pelepasan sebagian polietilen akan menurun ketika kontenkarbonil di atas ambang batas tertentu. Umur pelepasan ditentukanterutama oleh struktur kimia polimer dan konsentrasi karbonil (Tanaka,2002: 704-716). Grup karbonil meningkatkan pembentukan radikal bebasdan oleh karena itu mempercepat erosi permukaan rongga mikro,menyebabkan partial discharge breakdown yang lebih awal.

Kenaikan oksidasi sampel XLPE meningkatkan kekuatan tembusnyasampai dengan titik tertentu. Hal itu cocok dengan teori volume bebasyang dimodifikasi dari tembus (breakdown). Berdasarkan teori ini,tembus (breakdown) berkaitan dengan lintasan elektron terpanjang dalammicro vacuoles, yang berisi volume bebas polimer. Dari hasil ini terlihatbahwa peningkatan konten karbonil bisa memperbaiki unjuk kerja isolasipada beberapa tekanan sampai dengan titik tertentu. Peningkatan kontenkarbonil akan dapat mempengaruhi unjuk kerja jangka panjang isolasipolimer dengan cara penurunan tingkat tegangan AC yang dapat ditahan.Gambar 3.8. menunjukkan plot korelasi logaritma antara indek karbonilA dan tegangan yang dapat ditahan.

Gambar 8. Korelasi antara indek karbonil A dan tegangan yang dapatditahan

Koefisien korelasi untuk logaritma mendekati 0,58. Pada sampel-sampel ini, tegangan yang dapat ditahan menurun berdasarkan persamaan3.2, ketika indek karbonil meningkat.

Imron Ridzki, Prediksi Degradasi Isolasi Kabel XLPE, Halaman 29-48 xln03,3044,19y (2)

berdasarkan hubungan antara indek karbonil A dan tingkat tegangan yangdapat ditahan, dapat dikatakan bahwa analisis FTIR dan perhitunganindek karbonil dapat digunakan sebagai pengukuran diagnostik kondisiisolasi kabel. Pada hasil sampel kabel ini, indek karbonil A dikaitkandengan properti isolasi penting yang utama, tingkat tegangan yang dapatditahan pada tekanan tegangan layanan.

Untuk pemakaian di masa mendatang, direkomendasikan bahwaselama perbaikan kabel setelah terjadi kegagalan, sampel isolasi kabelharus dilakukan analisis FTIR. Analisis FTIR dan perhitungan indekkarbonil agak mudah dilakukan dan hasilnya seharusnya memberikanestimasi yang baik untuk semua kondisi kabel. Evaluasi nilai indekkarbonil A berdasarkan kelas kondisi kabel ditunjukkan pada tabel 10.

Tabel 10. Evaluasi nilai indek karbonil ABagus Sedang Kurang Sangat

KurangTingkat teganganyang dapatditahan

> 5 U0 5 U0 3 U0 3 U0 2 U0 < 2 U0

Indek Karbonil A < 0,70 0,70 1,00 1,00 1,30 > 1,30Nilai indek karbonil pada tabel 3.9 didasarkan pada korelasi

persamaan 2. Kriteria kelas sangat kurang dipilih dengan tingkattegangan yang dapat ditahan kurang dari 2 U0, karena pada jaringantegangan menengah, kenaikan tegangan lebih sampai dengan 1,9 U0 bisaterjadi ketika gangguan tanah terjadi. Tegangan lebih gangguan tanahdapat menyebabkan kegagalan kabel tiba-tiba atau mulai munculnyaperkembangan yang cepat dari degradasi isolasi kabel tidak berbalik.

Data uji eksperimen dengan jelas mendukung penemuan bahwakabel-kabel memiliki nilai indek karbonil kurang dari 0,6 untuk kelaskabel baik. Kelas kabel yang lain pada tabel 10 diperoleh dariekstrapolasi dan data uji eksperimen berdassar persamaan 2. Ini adalahpendekatan pertama yang mengkombinasikan hasil analisis FTIR ke hasiluji tegangan yang dapat ditahan pada skala nyata penuh.

Jadi sudah jelas bahwa ketidakpastian yang pasti termasuk dalamhasil yang ditampilkan. Sampel isolasi yang digunakan pada analisisFTIR hanya diambil dari satu titik pada isolasi. Sampel diambil daribagian tengah radius isolasi. Keterwakilan sampel isolasi berisi

ketidakpastian. Konten karbonil bervariasi ketika sampel isolasi yangdiambil dari bagian dalam, tengah, dan luar dianalisis (Leguenza, et.al.,2004: 406-417). Sampel-sampel dianalisis menggunakan metode FTIRsebanyak 2 sampai 4 kali. Sehingga analisis ini menghasilkanketidakpastian. Dalam analisis, tingkat kebisingan latar belakangpengukuran bisa bervariasi. Korelasi logaritma antara indek karbonil Adan tingkat tegangan yang dapat ditahan adalah sedang (cukup) sepertiterlihat gambar 8. Perubahan data misalnya jumlah sampel uji yang lebihbanyak dapat mengubah bentuk kurva dari logaritma menjadi bentukyang lain. Ekstrapolasi fungsi ini dapat menimbulkan batas-batas yangberbeda antara kelas kondisi kabel yang berbeda. Kabel-kabel XLPEyang telah dipakai mempunyai indek karbonil lebih tinggi dari 0,6 danmempunyai kelas kondisi lain yang lebih dari baik (bagus), tidak bisaditemukan dalam penelitian.

Meskipun penelitian ini dilakukan pada jumlah sampel yang terbatas,metode ini menjanjikan untuk memperoleh gambaran umum kondisiisolasi kabel. Metode FTIR bersifat merusak, artinya satu-satunya alasankuat untuk memperoleh sampel uji adalah jika ada kabel yanggagal/rusak. Penelitian terdahulu menunjukkan bahwa prakiraan kondisisistem kabel seharusnya berdasarkan lebih dari satu metode pengukuran(Hyvonen, et.al., 2003). Hasil dari analisis FTIR harus diverifikasidengan beberapa metode yang lain sebelum melakukan aksi praktikumlanjut. Metode lain, seperti partial discharge dan pengukuran respondielektrik, seharusnya digunakan untuk menganalisis kondisi kabel yangdigunakan mendekati akhir usia layanannya atau memiliki pembebananberat atau kondisi lingkungan.

Prosedur untuk pemakaian metode FTIR sangat sederhana. Sepertidijelaskan di atas, perbaikan kabel yang rusak adalah langkah awal untukmengumpulkan sampel isolasi untuk analisis FTIR. Pada analisis FTIRini diperlukan minimum 2 lilitan isolasi telanjang spiral. Lilitan isolasi iniharus hati-hati diambil dari isolasi spiral mencegah kontak dengan jari.Sampel isolasi harus disimpan dalam botol kaca bersih yang kedap udara.Botol itu disimpan di tempat kering, gelap, dan sejuk. Sampel itu harusdikirim untuk analisis dalam 2 minggu.

Hasil analisis FTIR perlu dimanipulasi sebelum perhitungan nilaiindek karbonil. Perhitungan langsung nilai indek karbonil tidak mungkinkarena background noise pengukuran bervariasi pada pengukuran-pengukuran.

Imron Ridzki, Prediksi Degradasi Isolasi Kabel XLPE, Halaman 29-48Langkah-langkah yang diperlukan pada perhitungan indek karbonilsebagai berikut:1. Pengukuran spektrum FTIR, setidaknya 2 spektrum tiap sampel.2. Mencari rerata spektrum.3. Nilai rerata wavenumber 1900 cm-1 sampai 2400 cm-1 dikurangkan

dari tiap respon wavenumber.4. Perhitungan indek karbonil dengan cara membagi respon pada

wavenumber 1735 cm-1 dengan respon dari wavenumber 1369 cm-1.Prakiraan kondisi kabel berdasarkan indek karbonil A dan kelas

kondisi ditunjukkan pada tabel 10. Terlihat bahwa penggunaan padalingkungan yang baik tidak cukup untuk menunjukkan seluruh unjukkerja jangka panjang isolasi XLPE.4. PENUTUP

Degradasi isolasi kabel tidak dideteksi pada pengujian respondielektrik. Perubahan kimia isolasi XLPE yang disebabkan oleh degradasidapat dideteksi menggunakan analisis FTIR. Tegangan tembus pada ujijarum tidak berkaitan dengan umur kabel. Kekuatan tarik yang rendahmenunjukkan kerapuhan isolasi karena adanya degradasi kimia.Degradasi isolasi kabel XLPE tidak berkaitan dengan umur kabel.5. DAFTAR PUSTAKAAnonymous, 2001, Common Test Methods for Insulating and Sheating

Materials of Electric Cables and Optical Cables Part 1-1:Methods for General Application Measurements of Thicknessand overall Dimensions Test for Determining the MechanicalProperties, IEC 60811-1-1, International ElectrotechnicalCommission.

Anonymous, 2005, Power Cables with Extruded Insulation and TheirAccessories for Rated Voltages from 1 kV (Um=1,2 kV) up to 30kV (Um=36 kV) Part 2: Cables for Rated Voltages from 6 kV(Um= 7,2 kV) up to 30 kV (Um=36 kV), IEC 60502-2,International Electrotechnical Commission.

Crine, J.P., 2005, Influence of Electro-mechanical Stress on ElectricalProperties of Dielectric Polymers, IEEE Transactions onDielectrics and Electrical Insulation, Vol. 12, No. 4, p. 791-800.

Densley, J., Bartnikas, R., and Bernstein, B.S., 1993, Multi-stress Ageingof Extruded Insulation System for Transmission Cables, IEEEElectrical Insulation Magazine, Vol. 9, No. 1, p. 15-17.

Hyvonen, P., and Jaaskelainen, A.S., 2007, Chemical Changes andRemaining Voltage Withstand of Field Aged XLPE-Cables,NORD-IS 2007, Kgs. Lyngby, Denmark.

Hyvnen, P., Oyegoke, B., and Aro, M., 2001, Advanced DiagnosticsTest and Measurement Methods for Power Cable Systems on-site,Literature Review with Discussion, Report TKK SJT-49,Helsinki University of Technology, High Voltage Institute,Espoo, Finland.

Hyvonen, P., Oyegoke, B., Aro, M., 2003, Condition Assessment of MVPower Cables Based on Practical Measurement, NORD-IS 2003,Tampere, Finland.

Leguenza, E.L., Robert, R., Giacometti, J.A., 2004, Dielectric andViscoelastic Properties of Crosslinked Polyethylene Aged UnderMulti Stressing Conditions, IEEE Transactions on Dielectrics andElectrical Insulation, Vol. 11, No. 3, p. 406-417.

Shimizu, N., Uchida, K., and Rasikawan, S., 1992, Electrical Tree andDeteriorated Region in Polyethylene, IEEE Transactions onElectrical Insulation, Vol. 27, No. 3, p. 513-518.

Tanaka, T., 2002, Aging of Polymeric and Composite InsulatingMaterials. Aspect of Interfacial Performance in Aging, IEEETransaction on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 9, No.5,p. 704 -716.