Kehandalan dan Keuntungan Ekonomis Isolator Polymer Silicon Rubber

Ricky Cahya Andrian

Area Penyaluran dan Pengaturan Beban (AP2B)PT. PLN (Persero) Wilayah VIII Sulsel dan Sultra

Jl. Letjen. Hertasning Blok B No. 1, Makassar, Sulawesi SelatanEmail : arrester97@yahoo.com

Abstrak

Komposit isolator telah digunakan selama kurang lebih 30 tahun. Di dalam perkembangannya sampai saat ini, desain dan produksi dari isolator telah mengalami kemajuan yang lebih baik sehingga waktu pakainya lebih lama. Di dalam makalah ini, penulis berusaha menjelaskan teknologi moderen dari komposit isolator dan bahan material dari isolator komposit itu sendiri. Di samping itu, penulis juga menjelaskan dari sisi keuntungan ekonomisnya.

Sejarah Komposit Isolator

Komposit isolator yang terbuat dari rod kayu dilapisi dengan porselen telah diproduksi lebih dari 70 tahun. Perkembangan moderen sekarang ini, komposit isolaor terbuat dari fiber reinforced polymer (FRP) rod atau tube yang dilapisi oleh polymer housing yang dimulai ada pertengahan tahun 1950-an. Sejak itulah, teknologi rod dan housing-nya itu sendiri telah dianalisis dan dites secara laboratorium untuk mendapatkan hasil yang maksimal. Pada saat ini, komposit isolator yang moderen dan lebih handal telah menggunakan fiber glass yang melapisi epoxy rod dan housingnya menggunakan silikon rubber.

Kinerja dari suatu isolator itu tidak hanya tergantung dari kualitasnya tetapi kemampuannya untuk menahan stress tegangan. Untuk menguji kehandalan jenis isolator ini, maka beberapa isolator ini telah dipasang di tower dengan berbagai jenis kondisi lingkungan. Dari analisis yang didapat, beberapa hal yang dimiliki oleh suatu isolator FRP adalah sebagai berikut :-Rod FRP tahan terhadap proses hidrolisis-Rod FRP tahan terhadap proses kimiawi untuk menghindari proses fracture-Ketebalan minimum dari sheath adalah 3 mm-Kekuatan mekanik diimprove dengan menggunakan kompresi end fitting yang terbuat dari forged steel

Material

Core Material

Inti dari material mekanik dari komposit isolator ini adalah Fiber Reinforced Rod atau tube. Untuk keperluan tegangan tinggi, fiber dilapisi oleh epoxy resin. Epoxy resin mempunyai sifat isolator elektrik lebih baik daripada polyester resin, yang banyak digunakan dalam berbagai aplikasi, untuk mengurangi cost.

Gbr. 1. Desain Isolator Komposit

Walaupun rod atau tube dilapisi oleh polymer, ada kemungkinan kelembapan akan masuk ke dalam. Untuk menghindari hal ini, maka fiber ini juga dilapisi oleh resin hidrolisis. Resin ini sangat sulit untuk dimasuki air. Tetapi pada kenyataannya, air bisa saja masuk terutama di

bagian-bagian seperti end fitting atau batas antar housing. Sehingga, seal sangat penting di bagian ini. Seal yang baik adalah yang menggunakan metal stable silicon karena di bagian ini ada 3 jenis material yang mempunyai koefisien thermal yang berbeda.

Masalah lain yang merusak FRP adalah brittle fracture. Brittle fracture adalah mekanikal failure dari FRP. Hal ini sudah menjadi kendali sejak tahun 60-an, yaitu sejak polymer ini ditemukan. Yang menyebabkan terjadinya brittle fracture ini adalah stress korosi yang disebabkan oleh asam. Asam ini ada di dalam air hujan. Asam inilah yang masuk ke dalam fiber dan merusaknya. Kejadian ini sangat jarang tetapi mempengaruhi material komposit dari manufaktur.

Untuk mencegah brittle fracture ini, maka digunakan chemical resistant E-glass fiber (ECR) yang tahan terhadap asam.

Housing Material

Pada sekarang ini, telah dikenal beberapa teknologi komposit dari isolator yaitu epoxy resin, PTFE, PUR, ethylene propylene rubber (EPR) dan silicon rubber (SIR). Bagaimanapun, untuk menghadapi mekanikal stress yang besar, maka teknologi mulai beralih ke bahan rubber. Untuk saat ini, aplikasi tegangan tinggi menggunakan silicon rubber (SIR), sejak sudah terbukti selama 30 tahun tahan terhadap kondisi lingkungan yang berbeda-beda.

Keuntungan dari silicon rubber adalah flexibility meskipun di suhu rendah, high mechanical strength, tahan terhadap cuaca seperti ozon, radiasi ultraviolet dan panas. Selain itu, silicon rubber juga superior di kelas hidrofobik. SIR merupakan satu-satunya housing yang membentuk layer terhadap polusi di permukaannya. Sehingga leakage current dan flashover dapat direduksi. Sebagai tambahan, silicon rubber tidak membutuhkan pembersihan secara berkala.

Bagaimanapun juga, silicon elastomer dan silicon rubber merupakan varian dari sintetik rubber yang berbeda sifatnya tergantung dari komposit kimiawi, proses vulkanisasi, filler material, filler content dan additifnya.

Pengaruh dari filler

Silicon rubber yang tidak diisi oleh filler atau additif mempunyai kualitas yang rendah karena ikatan molekulnya sangat rendah. Untuk menambah tensile strength dan kekuatan rubber, maka digunakan silicic acid. Untuk mencegah terjadinya tracking dan erosion resistance, maka digunakan inorganic filler. Komposisi dari filler ini sebesar 70-80% dari total berat isolator.

Alumina Trihydrate (ATH) adalah jenis inorganic filler yang paling umum. Telah banyak penyelidikan dengan menggunakan salt fog test, dimana semakin banyak filler yang ditambahkan, maka memperkecil tracking dan erosion resistance.

Cost yang rendah adalah keuntungan lain menggunakan filler, khususnya inorganic filler dibandingkan dengan silicon rubber jenis Siloxane.

Gbr. 2. Pengaruh dari filler terhadap tracking dan erosion resistance

Untuk mengurangi cost, beberapa manufactur menggunakan powder di samping ATH. Walaupun demikian ATH mempunyai sifat elektrik yang lebih baik.

Pada dasarnya, filler itu tidak hanya mempengaruhi mekanikal and elektrikal performance tetapi juga densitas, hardness, viskositas dan hidrofobik. Hidrofobik yang dimiliki oleh silikon rubber disebabkan karena Low Molecular Weight (LMW) komponen silikon. Proses filler mempengaruhi sifat hidrofobik itu sendiri ada dua cara yaitu filler menggantikan siloxane, artinya LMW silikon dikurangi. Di sisi lain, filler juga sebagai barrier bagi LMW silikon, sehingga proses difusi dari LMW itu sendiri menjadi lambat. Sebagai

kesimpulan, penambahan filler juga akan mengurangi sifat hidrofobik. Dari statement di atas dapat diambil dua garis besar yaitu :

1. Untuk memperbaiki tracking dan erosion resistance, filler content harus ditambah

2. Untuk memperbaiki sifat hidrofobik, filler content harus dikurangi

Untuk mendapatkan hasil yang terbaik, kedua hal di atas harus seimbang, tetapi biasanya, manufaktur akan lebih cenderung ke hal yang pertama dengan menambah filler untuk mengurangi cost.

Testimonial Penggunaan Silicon Rubber

Beberapa negara telah menggunakan silicon rubber sebanyak 60000 yaitu Afrika Selatan, Canada, Australia, Naimibia, Spanyol, Swiss dan USA. Hasil yang bisa dipetik adalah isolator silikon rubber ini mengurangi cost maintenance dan improve vandalism. Kebanyakan silikon rubber ini tidak membutuhkan pembersihan terutama di daerah dengan polutan tinggi dan performansinya tetap lebih baik dari EPDM dan jenis keramik. Beberapa isolator jenis ini juga mengalami kegagalan brittle fracture.

Sejak tahun 1978, ESKOM (Afrika Selatan) telah menggunakan isolator jenis ini untuk daerah polutan tinggi dan vandalisme tinggi terutama di daerah pantai yang memiliki polutan garam yang tinggi. Sehingga ESKOM mengganti semua jenis isolator keramik dengan jenis silikon rubber, karena ESKOM tidak membutuhkan cleaning yang biasanya menggunakan helikopter untuk membersihkan.

Red Electrica de Espana (REE), Spanyol melaporkan sejumlah failure telah dikurangi sejak mengganti isolator jenis glass dengan isolator silikon rubber.

Florida Power and Light (FPL) juga melaporkan, performansi ketahanan isolator terhadap polutan untuk jenis silikon rubber ini lebih baik dibandingkan jenis lain baik itu dengan pembersihan atau tidak sama sekali. Pada gambar 3, Silicon rubber (SIR) lebih baik performansinya dibandingkan dengan EPDM housing (EPR 1 dan EPR 2) dan juga isolator keramik. Oleh karena itulah pada tahun 1991, FPL mengganti semua jenis EPR 1 dengan silicon rubber dan sejak itu, outage telah berhasil dikurangi.

Di samping beberapa keuntungan yang telah dijelaskan di atas, didasarkan pada berat isolator, silikon rubber juga telah mengurangi cost instalasi, di samping itu, safety pekerjaan juga lebih baik, sedikit pekerja yang mengalami kecelakaan karena kemudahan dalam hal instalasinya.

Gbr. 3. Banyaknya Flashover yang terjadi menurut pengalaman FPL

Pengalaman Malaysia Menggunakan Silicon Rubber

Malaysia menggunakan isolator komposit long rod yang terbuat dari Electro Chemical Resistant (ECR) fiber glass reinforced epoxy rod dan High Temperature Vulcanised (HTV). Kondisi iklim di Malaysia adalah intensive solar radiation, kelembapan tinggi dan curah hujan yang tinggi. Industri banyak dibangun di dekat pantai sehingga kelembapan yang tinggi tersebut bercampur dengan polutan garam yang berasal dari laut. Isolator diganti setiap 2 dan 7 tahun dari sistem 145 kV untuk diujicobakan di laboratorium. Inspeksi yang dilakukan secara visual, baik secara elektrikal maupun mekanikal test menurut standar IEC61109 dan IEC60383 ditambah lagi dengan test permukaan isolator untuk mengetahui sifat hidrofobik dan ESDD measurement menurut standar IEC60507/IEC60815.

Spesifikasi Line dan Isolator Isolator yang diujicobakan berasal dari line 145 kV di dekat Brai Power Station di Bukitegah. Isolator tersebut dipasang pada tahun 1993 baik secara suspension maupun tension. Polutan yang ada di isolator tersebut berasal dari polutan industri dan polutan garam.

Suspension set insulator 22/18(140)1390 :

Creepage distance :2970mm(20 mm/kV)Arcing distance : 1195 mmBIL : 720 kVPF withstand volt. Wet : 365 kVSML (Spec. Mech. Load) : 110 kN

Tension set insulator 22/25(128)2180 :

Creepage distance :4085mm(28 mm/kV)Arcing distance : 1975 mmBIL : 1190 kVPF withstand volt. Wet : 600 kVSML (Spec. Mech. Load) : 110 kN

Data Instalasi

Isolator dipasang pada tahun 1993 dan telah dimaintenance setelah 2 dan 7 tahun. Maksimum mechanical load suspension adalah 7 kN dan 20 kN untuk tension. Pada line ini, 33 unit dipasang suspension dan 156 unit dipasang tension. Setelah 2 tahun beroperasi, 2 unit tension dan 2 unit suspension diujicoba. Setelah 7 tahun, 2 unit tension dan 2 unit suspension kembali diujicoba, sehingga total 8 isolator untuk ujicoba.

Inspeksi visual

Dari gambar, terlihat bahwa isolator tidak mengalami perubahan di sisi luar permukaannya setelah 2 tahun beroperasi. Padahal, kenyataannya suspension isolator mengalami stress elektrical yang lebih besar dibandingkan dengan tension, sebaliknya dengan creepage distance, di mana pada tension, creepage distance lebih panjang dibandingkan dengan suspension.

Gbr.4. Suspension isolator, yang sebelah kiri setelah 2 tahun beroperasi, sedangkan yang sebelah kanan setelah 7 tahun beroperasi

Gbr.5. Marking untuk pengenal isolator

Secara visual dari gambar di atas, tidak terlihat tracking yang terjadi pada isolator setelah beroperasi selama 7 tahun.

Evaluasi Hidrofobik

Hidrofobik isolator diujicoba setelah beroperasi selama 2 dan 7 tahun sesuai petunjuk STRI 92/1. Uji coba ini termasuk water spray dari jarak 25 cm.

Gbr.6. Sifat hidrofobik dari silikon rubber setelah beroperasi selama 7 tahun

Gbr. 7. Sifat hidrofobik setelah beroperasi selama 2 tahun

Electrical Test

Electrical test yang dilakukan terhadap isolator ini sesuai standar IEC60383 tanpa corona ring. Hasil test yang dilakukan terhadap isolator tension dan suspension disimpulkan dalam tabel di bawah ini.

Perubahan sifat hidrobik yang terjadi di permukaan isolator, ternyata tidak berpengaruh terhadap performance electrical insulation. Sifat hidrofobik suatu insulator yang dapat berubah menjadi layer anti polutan hanya ditemukan di silicon rubber. Tidak ada jenis isolator polymer lain yang mempunyai sifat tahan terhadap polutan berat dan kondisi yang sangat basah.

Tabel 1. Electrical characteristics dari suspension isolator

Service years 0 2 7Test condition New Polluted PollutedArcing dist. (mm) 1195 1195 1195Lightning impulse voltage :

-Withstand-Flashover voltage

750 kV780 kV

742 kV769 kV

743 kV766 kV

Lightning impulse voltage negative :-Withstand-Flashover voltage

777 kV806 kV

770 kV808 kV

775 kV803 kV

Power frequency voltage, wet :-Withstand-Flashover voltage

390 kV424 kV

381 kV428 kV

412 kV446 kV

Power frequency voltage, dry :-Withstand-Flashover voltage

450 kV461 kV

447 kV463 kV

444 kV464 kV

Tabel 2. Electrical characteristics dari tension isolator

Service years 0 2 7Test condition New Polluted PollutedArcing dist. (mm) 1975 1975 1975Lightning impulse voltage : -Withstand-Flashover voltage

1204 kV1251 kV

1208 kV1253 kV

1202 kV1244 kV

Lightning impulse voltage negative :-Withstand-Flashover voltage

1254 kV1304 kV

1260 kV1308 kV

1251 kV1300 kV

Power frequency voltage, wet :-Withstand-Flashover voltage

611 kV695 kV

626 kV707 kV

662 kV725 kV

Power frequency voltage, dry :-Withstand-Flashover voltage

745 kV780 kV

743 kV777 kV

766 kV783 kV

Mekanikal Test

Mekanikal test dilakukan sesuai standar IEC61109. Test load yang dilakukan secara bertahap mulai dari 0% sampai 75% SML kemudian secara gradually naik ke tahap SML tiap 90 detik. SML (Spesific Mechanical Load) adalah 110 kN.

Strength dari isolator setelah diujicoba secara mekanik adalah137, 123, 138, 123, 123, 125, 136, 122 kN.

Semua isolator ini telah lulus test load 64 kN dan SML 110 kN. Hasil ujicoba di atas berada di atas SML.

Pengukuran Polutan

Pengukuran polutan yang ada di isolator ini akan menunjukkan tingkat polusi di daerah tersebut. Prosedur yang dilakukan ini sesuai standar IEC60507.

Tabel 3. Hasil dari pengukuran polutan

Service years 0 2 7ESDD (S/cm2) 0 9.6 15

Dari standar IEC60815, disimpulkan bahwa polutan yang menempel di isolator adalah jenis light polutan.

Prosedur Testing

Test polutan telah dilakukan di isolator pasangan luar untuk mengetahui performance isolator terhadap polutan. Semua standar test telah dilakukan terutama berkaitan dengan flashover dan withstand voltage. Sebagai contoh, flashover yang terjadi secara berulang, dapat mengubah karakteristik permukaan isolator. Sehingga tidak heran jika, test yang dilakukan di laboratorium kadang-kadang berbeda dengan test di outdoor. Long term test di outdoor lebih baik karena mendekati kondisi eksisting di lapangan.

Keuntungan Ekonomis

Hal ekonomis yang dilihar adalah dari pengurangan biaya maintenance, karena tidak perlu dilakukan pencucian secara berkala, begitu juga dengan penggantian isolator yang rusak dapat dihindari, ditambah lagi dengan pengurangan leakage current sehingga losses juga dapat ditekan walaupun sedikit sekali kontribusinya. Selain itu dengan berat yang ringan, biaya instalasinya juga dapat ditekan. Dari segi performansi elektrikal dan mekanikal, isolator jenis ini mempunyai harga yang lebih murah.

Untuk menilai suatu isolator itu ekonomis atau tidak, selain dilihat dari sisi cost akuisisinya juga dilihat dari sisi life cycle cost. Life cycle cost di sini termasuk biaya penggantian isolator, penyimpanan, transportasi, instalasi dan maintenance termasuk pencucian.

Israel Electric Company telah melakukan penghitungan cost untuk line 22 kV baik untuk isolator keramik maupun silicon rubber. Penghitungan ini dilakukan selama 30 tahun. Biaya penggantian untuk isolator silicon rubber 70% lebih tinggi dibandingkan dengan keramik. Tetapi untuk biaya pencucian, isolator keramik dicuci setahun sekali dibandingkan dengan silikon rubber yang dicuci tiap 5 tahun sekali. Jika isolator silikon ini tidak dicuci, biaya yang dapat disave sampai 50%. Dilihat dari sisi penggunaan untuk tegangan tinggi, silicon rubber lebih menguntungkan karena cost untuk maintenance yang rendah, lebih ringan, dan lebih pendek. Sebagai tambahan, silicon rubber ini juga lebih kuat terhadap vandalism dan interference radio dan TV yang lebih rendah.

Gbr.8. Perbandingan Annual Cost

Bila dihubungkan dengan losses, Florida Light and Power (FLP) telah mengukur leakage current baik untuk polymer maupun untuk isolator keramik di sistem 500 kV. Pada kelembapan yang tinggi, losses daya untuk isolator polymer lebih rendah dibaningkan dengan isolator keramik. Losses daya yang berhasil disave bisa mencapai 10%.

Kesimpulan

1. Isolator komposit silikon rubber telah membuktikan performance yang baik selama 30 tahun. Flashover akibat polutan berhasil direduksi. Brittle fracture dapat dikurangi karena FRP rod dibuat dari E-glass fiber.

2. Tidak semua silikon rubber mempunyai performansi yang baik, tergantung dari komposisi filler yang menyusunnya.

3. Pengalaman beberapa perusahaan listrik di dunia telah membuktikan keunggulan

isolator silicon rubber dibandingkan dengan isolator keramik untuk daerah dengan polutan tinggi.

4. Isolator komposit mempunyai keuntungan ekonomis seperti biaya instalasi dan penggantian yang rendah, biaya maintenance yang rendah.

Daftar Pustaka

1. Kumosa, M.: Research of Brittle Fracture in Composite Insulators, Interview given to Insulator News & Market Report, July/ August 1997.

2. Dietz, H. et al. : Latest Developments and experience with composite longrod insulators, Cigre 1986 Session, Paper 15-09.

3. CIGRE WG 22-03, “Guide for the identification of brittle fracture of composite insulator FRP rod”, ELECTRA No. 143, August 1992, pages 61-65.

4. Presented by R.S. Gorur on Composite Insulator, Symp., Miami, Nov. 1997.

5. Kunde, K. : Henings, R. : New experiences with composite insulators after long term exposure in service, IEEE Stockholm Power Tech Conf, Paper SPT IS 12-4, June 1995.

6. Munteanu, R : Silicone insulator use on the rise worldwide : Transmission and Distribution, May 1996.

Profil Penulis

Ricky Cahya Andrian dilahirkan di Jakarta, 3 Mei 1979. Menyelesaikan S1 di Institut Teknologi Bandung (ITB) pada tahun 2002 dan S2 di Universitas Jayabaya pada tahun 2004. Saat ini bertugas sebagai Supervisor Operasi Unit Pengatur Beban (UPB) Kendari di Sulawesi Tenggara.