Path: TopS3-DissertationsEngineering Science2001

KAJIAN KINERJA ELASTOMER SILIKON SEBAGAI MATERIAL ISOLATOR TEGANGAN TINGGI DI DAERAH TROPIS

PhD Theses from JBPTITBPP / 2007-12-18 14:37:31
Oleh : Salama (NIM 322 95 034), Institute Technology Bandung
Dibuat : 2000-10-07, dengan 9 fulltext file

Keyword : Silicone elastomer, Synthetic polymer
Subjek : Electric insulators and insulation
Kepala Subjek : Engineering
Nomor Panggil (DDC) : T 621.319 37 SAL

ABSTRAK:
Elastomer silikon merupakan polimer sintesis yang masih relatif baru penggunaannya sebagai material isolasi polimer pada isolator listrik tegangan tinggi/ekstra tinggi pasangan luar (outdoor). Terdapat beberapa keuntungan yang dimiliki material isolasi polimer diantaranya ringan, memiliki sifat dielektrik, resistivitas volume, sifat termal, kekuatan mekanik yang lebih baik dan tahan gempa serta mudah penanganannya dibandingkan material konvensional (porselen/keramik dan gelas). Salah satu sifat yang menjadikan elastomer silikon sangat populer dan lebih unggul sebagai material isolasi dibanding porselen dan gelas maupun jenis polimer lainnya adalah sifat menolak air atau hidrofobik (hydrophobic). Selain itu material ini juga mampu mempengaruhi lapisan polusi yang menempel di permukaannya ikut bersifat hidrofobik. Fenomena ini disebut transfer hidrofobik. Sifat hidrofobik dan kemampuannya mentransfer sifat tersebut ke lapisan polusi sangat bermanfaat bagi isolator listrik pasangan luar karena dalam kondisi lembab, basah/hujan tidak akan memberi peluang terbentuknya lapisan air yang kontinu sehingga konduktivitas penmukaan isolator tetap rendah. Dengan demikian arus bocor (leakage current) yang terjadi sangat kecil.
Struktur kimia elastomer silikon terdiri dari tulang punggung ikatan dari bahan anorganik (silikon dan oksigen) yang tahan terhadap penuaan, namun ikatan samping yang terdiri dari bahan organik (karbon dan hidrogen) dapat mengalami degradasi oleh terpaan dari berbagai faktor iklim seperti temperatur tinggi, kelembaban/hujan serta radiasi ultraviolet dengan intensitas tinggi sebagaimana yang dijumpai di daerah beriklim tropis seperti di Indonesia. Terpaan iklim tropis secara simultan pads isolasi elastomer silikon kemungkinan akan mengakibatkan degradasi sifat-sifatnya, yang ditandai dengan perubahan warna, perubahan sifat dielektrik dan menghilangnya sifat hidrofobik, serta munculnya arus bocor yang terus meningkat sehingga pada akhirnya terjadi keretakan (tracking) dan erosi yang akan memperpendek umur isolator. Kajian ke arah perbaikan yang bertujuan untuk meningkatkan kinerja isolator terhadap kondisi tertentu terus dilakukan oleh berbagai peneliti dengan mencari metode vulkanisasi, jenis dan level ambang dosis bahan pengisi (filler). Adanya komposisi bahan pengisi berdosis tinggi pads elastomer silikon dapat meningkatkan kekuatan mekanis dan kestabilan sifat termalnya, akan tetapi dapat pula mengurangi sifat dielektriknya, melemahkan proses pemulihan dan kekuatan transfer sifat hidrofobik Berta lebih sulit proses pencetakannya. Oleh karena itu yang menjadi sasaran khusus dan target utama rangkaian penelitian ini adalah mempelajari metode vulkanisasi dan mendapatkan komposisi dosis bahan pengisi yang memberikan kinerja optimal bagi elastomer silikon sebagai bahan isolator tegangan tinggi pasangan luar di daerah beriklim tropis.
Penelitian dilakukan dengan membuat material uji elastomer silikon dari dua macam proses vulkanisasi yang berbeda yaitu vulkanisasi temperatur ruang (RTV) dan vulkanisasi temperatur tinggi (HTV) dengan variasi kandungan dosis bahan pengisi. Selanjutnya dilaksanakan pengujian penuaan material RTV dan HTV elastomer silikon di bawah terpaan iklim tropis alamiah secara simultan di udara terbuka khususnya lingkungan iklim tropis di Bandung. Dua model penuaan material uji di udara terbuka yaitu tanpa pelindung yang dimaksudkan agar semua faktor iklim mengenai material uji dan menggunakan pelindung dengan maksud menghindari terpaan radiasi uv dari matahari. Selain itu, juga dilaksanakan pengujian penuaan buatan yang dipercepat di laboratorium di dalam suatu lemari pengujian untuk mensimulasi pengaruh berbagai faktor iklim dan medan listrik. Pengujian buatan ini merupakan ujian saringan (screening test) dengan maksud untuk menentukan pengaruh bahan pengisi dan mengidentifikasi kualitas material uji secara cepat.
Untuk mempelajari dan mengetahui kinerja material uji elastomer silikon terutama perilaku sifat hidrofobik permukaannya di bawah terpaan iklim tropis, dikembangkan aplikasi pengukuran sifat hidrofobik dengan teknik pengukuran sudut kontak dari tetesan air. Perilaku sifat dielektrik dan kaitannya dengan jumlah air yang diabsorpsi oleh material uji, diketahui dengan menggunakan peralatan jembatan Schering, indikator nol dan timbangan Metler AE-240, yang pengukurannya dilakukan dalam periode mingguan. Selain itu dilakukan pula eksperimen penunjang seperti pengukuran konduktivitas permukaan, analisa sifat termal (TGA dan TMA), analisa gugus fungsi struktur kimia dengan spektroskopi ATRFTIR dan analisa struktur mikro permukaan dengan SEM, masing-masing dilakukan sebelum proses penuaan dan setelah mengalami penman, guna mendapatkan validasi tingkat penuaan yang terjadi pads material uji.
Hasil-hasil pengukuran baik untuk penuaan di bawah terpaan iklim secara alamiah 120 minggu maupun penuaan secara buatan yang dipercepat 96 jam menunjukkan bahwa elastomer silikon kelompok RTV dengan variasi dosis bahan pengisi 18-29,2% dan kelompok HTV dengan variasi dosis bahan pengisi 48-72% masih memperlihatkan sifat hidrofobik yang kuat dengan nilai sudut kontak lebih besar clan 90 o. Jumlah air yang diabsorpsi oleh elastomer silikon untuk kelompok RTV mencapai 0,08-0,11% dan untuk kelompok HTV mencapai 0,19-0,22%. Jumlah air ini walaupun kecil telah dapat menyebabkan peningkatan permitivitas relatif (sr) untuk kelompok RTV sebesar 1,02-1,067 kali dan untuk kelompok HTV sebesar 1,093-1,83 kali dari harga semula. Sementara faktor disipasi (tan S) mengalami penngkatan untuk kelompok RTV sebesar 2,55-3,57 kali dan untuk kelompok HTV sebesar 3,53-26,8 kali dari harga semula.
Hasil pengukuran konduktivitas permukaan dari kedua kelompok material uji tersebut selama penuaan tidak mengalami perubahan yang signifikan. Hal ini ditunjukkan clan pengukuran di bawah tegangan uji 12 kV dengan jarak elektroda 3 cm dipero1 wh arus bocor permukaan untuk kelompok RTV antara 6,1-8,36 mA dan kelompok HTV antara 6,73-9,49 mA. Hasil analisa termal baik kelompok RTV maupun kelompok HTV keduanya merniliki kestabilan termal mencapai suhu 240-260 oC dan koefisien ekspansi termal (a) sebesar 225-375 mm/m oC. Namun setelah mengalami penuaan 120 minggu, material uji kelompok RTV yang mengandung dosis bahan pengisi 22,2% menunjukkan kenaikan a yang signifikan (dari 375 menjadi 395 mm/m oC). Hal ini ditunjukkan pula dari hasil analisa gugus fungsi dengan ATR-FTIR dan analisa struktur mikro permukaan dengan SEM bahwa material uji tersebut telah mengalami banyak perubahan puncak serapan gugus fungsi C-H, Si-O dan mulai terlihat keretakan-keretakan kecil yang disertai erosi berbentuk lubang-lubang mikro dipermukaannya.
Berdasarkan hasil eksperimen dengan analisa parameter-parameter ukur tersebut di atas, baik pengujian penuaan alamiah maupun pengujian penuaan buatan diperoleh kesimpulkan bahwa elastomer silikon kelompok RTV dengan komposisi dosis bahan pengisi 29,2% dan kelompok HTV dengan komposisi dosis bahan pengisi 48% adalah yang memberikan kinerja yang optimal. Oleh karena itu kedua jenis material uji tersebut dapat diusulkan untuk dikembangkan sebagai material isolator tegangan tinggi di daerah beriklim tropis. Dengan demikian isolator konvensional (porselen/keramik dan gelas) yang berat dan mudah basah atau hidrofilik (sudut kontak 0 o-33 o) dapat digantikan oleh isolator polimer berbahan elastomer silikon yang ringan dan bersifat menolak air atau hidrofobik (sudut kontak 108 o-146 o).

Deskripsi Alternatif :

ABSTRACT:
Silicone elastomer is a synthetic polymer. Its usage as an outdoor polymeric insulator for high/extra high voltage electrical lines is relative new. It has some advantages compared to that of conventional materials such as porcelain, ceramics and glasses that have long been used. The advantages are in its lighter weight, better dielectric properties, volume resistance, thermal properties, mechanical strength, resistant to earthquake and easier to maintain than the conventional ones. The silicone elastomer has advantageous features that make it more favorable as an insulator material than porcelain and glasses or other polymers. The good features are on its hydrophobicity and ability to induce hidrophobicity to pollutants attached on insulators surface. This phenomenon is called as hydrophobicity transfer. The hydrophobicity and its ability to transfer it to pollutant layers are very useful in outdoor insulator because in moist, wet or rain condition it prevents the formation of continuous water layer so that low conductivity of insulator may be maintained.
The chemical structure of silicone elastomer consists of backbone bonds of inorganic substances (silicone and oxygen) that are resistant to aging, and side bond of organic substances (carbon and hydrogen) that can be degraded by climate factors as high temperature, moisture or rain and high intensity of uv radiation in tropical area as Indonesia. The tropical climate stresses might change the properties of silicone elastomer that are indicated by changes of color, increase of dielectric properties, lose of hydrophobicity, increase of leakage current, and occurrence of tracking and erosion that shortening its age. Researchers are continually searching for vulcanization method, type and threshold of filler that can improve the performance of silicone elastomer in certain condition. High dose of filler in the insulator may increase its mechanical strength and thermal stability; but it may reduce the dielectric properties, the ability to recover and to transfer hydrophobicity, and increase difficulties in its molding. This research is intended to study vulcanization method and to obtain optimal dose of filler to produce the silicone elastomer as insulating material suitable for high/extra high voltage outdoor insulators in tropical area.
The samples used in this research were the silicone elastomer with two different vulcanization methods; they are Room Temperature Vulcanization (RTV) and High Temperature Vulcanization (HTV). The RTV and HTV specimens are subjected to aging under natural tropical climate in open air, particularly in Bandung. This open-air aging test is carried out with two models. First model was without shielding. In this case, the specimen was exposed directly to all of climate factors. The second model was with shielding, in which the samples were protected from the suns UV radiation. In addition, an accelerated aging test was conducted in the laboratory by applying combination of tropical climate factors and electrical field. This accelerated aging test is a screening test. It was used to determine the effects of fillers on the material properties and to identify the quality.
A method to measure hydrophobic character has been developed by measuring contact angle of the water drops on the surface of the material. This was used to investigate the changes of silicone elastomer performances, particularly the hydrophobicity of its surface. The change of dielectric properties and its relationship with volume of water absorbed by specimen was determined by Schering bridge, null indicator and Metier balance type AE-240. The measurement was carried out weekly during 120 weeks. Beside that, measurement of the surface conductivity (leakage current), thermal analysis (TGA and TMA), analysis of the chemical structure with ATR-FTIR spectroscopy, and analysis of microstructure of the surface degradation by SEM were also carried out.
The results of measurement indicated that both RTV of different filler dose (18-29.2%) and HTV of different filler dose (48-72%) specimens under tropical climate aging in 120 weeks and under artificial aging test in 96 hours were able to maintain their strong hydrophobicity with contact angle of greater than 90 o. The water absorbed by RTV and HTV specimens are 0.08-0.11% and 0.19-0.22%, respectively. Even though the water absorbed is small, it caused the increase of the relative permittivity ( ) of the RTV specimens by 1.02-1.067 times and of the HTV specimens by 1.093-1.83 times of the initial value. The absorbed water also caused the increase of the dissipation factor of RTV samples by 2,55-3,57 and HTV samples by 3,53-26,8 times of the initial value.
The measurement results of surface conductivity of both RTV and HTV specimens during aging test did not change significantly. Under voltage of 12 kV, the surface leakage current of the RTV specimens was 6.1-8.36 pA and that of HTV specimen was 6.73-9.49 mA. The thermal analysis of both RTV and HTV specimens showed that they had thermal stability at 240-260 oC and the thermal expansion coefficient (a) was 225-375 mm/m oC. After 120 weeks of aging, however, the thermal properties of RTV containing filler lower or equals to 22,2% indicated the significant increase of a: from 375 to 395 mm/m oC. ATR-FTIR and SEM analysis also showed the change of chemical structure and microstructure on the surface. Chemical structure change was indicated from the change of the absorption peak of C-H, Si-O groups, while the microstructure change was observed from the existence of small tracking and the micro-sized-hole erosions on its surface.
From the above-mentioned experiment results and the parameters analysis, it can be concluded that dose of filler of 29.2% for RTV and of 48% for HTV elastomer silicone give optimal performance. Therefore, those two materials can be proposed as insulator materials for high voltage transmission line in tropical area. Thus, the conventional insulator (the porcelain/ceramic and glass), which is heavy and hydrophilic (contact angle of 0 o- 33 o), may be alternatively replaced by the silicone elastomer, which is light and hydrophobic (contact angle of 108 o- 146 o).

Copyrights : Copyright (c) 2001 by Institut Teknologi Bandung. Verbatim copying and distribution of this entire article is permitted by author in any medium, provided this notice is preserved.

Beri Komentar ?#(0) | Bookmark

PropertiNilai Properti
ID PublisherJBPTITBPP
OrganisasiI
Nama KontakUPT Perpustakaan ITB
AlamatJl. Ganesha 10
KotaBandung
DaerahJawa Barat
NegaraIndonesia
Telepon62-22-2509118, 2500089
Fax62-22-2500089
E-mail Administratordigilib@lib.itb.ac.id
E-mail CKOinfo@lib.itb.ac.id

Print ...

Kontributor...

  • Promotor 1:
    K. Tunggul Sirait, Prof. Dr.-Ing
    Promotor 2:
    Cynthia L. Radiman, Dr.-Ing.
    Promotor 3:
    Suwarno, Dr. Ir., MT.
    Scan:
    Kris
    Editor:
    Ena Sukmana, S.Sos.
    ena506@yahoo.co.id
    (2007-12-18)
    , Editor: Ena Sukmana

File PDF...