Umum Syarat – Syarat Minyak Isolasi

BAB II ISOLASI MINYAK

II.1. Umum

Didalam transformator ada dua bagian yang secara aktif membangkitkan panas yaitu kumparan tembaga dan inti besi. Jika panas itu tidak diberi pendingin akan menyebabkan kumparan dan inti itu mencapai suhu yang terlalu tinggi, sehingga bahan isolasi yang ada pada kumparan kertas isolasi akan menjadi rusak. Untuk menghindari kerusakan tersebut maka dimasukan minyak isolasi. Ada beberapa alasan mengapa isolasi cair digunakan, antara lain : 1. Isolasi cair memiliki kerapatan 1000 kali atau lebih dibandingkan dengan isolasi gas nitrogen dan udara tidak termasuk gas Sf6, sehingga memiliki kekuatan dielektrik yang lebih tinggi menurut hukum Paschen. 2. Isolasi cair akan mengisi celah atau ruang yang akan diisolasi dan secara serentak melalui proses konversi menghilangkan panas yang timbul. 3. Ketiga isolasi cair cenderung dapat memperbaiki diri sendiri self healing jika terjadi pelepasan muatan discharge. [1]

II.2. Bahan Dasar Minyak Transformator

Bahan dasar pembuatan minyak transformator adalah minyak mentah crude oil. Namun pabrik – pabrik pembuat minyak transformator menambah zat – zat tertentu untuk mendapatkan kualitas dielektrik lebih yang baik. Universitas Sumatera Utara Pada umumnya minyak transformator tersusun atas senyawa-senyawa hidrokarbon dan non hidrokarbon.

II.2.1. Senyawa Hidrokarbon

Senyawa hidrokarbon adalah senyawa kimia yang terdiri dari unsur-unsur hidrogen dan karbon. Senyawa hidrokarbon yang merupakan bagian terbesar dari minyak dapat dibagi atas tiga kelompok besar yaitu senyawa parafin, senyawa naphtena, dan senyawa aromatik. [2]

1. Senyawa parafin

Parafin adalah senyawa hidrokarbon jenuh yang mempunyai rantai karbon lurus atau bercabang, yang dalam kimia organik dikenal sebagai senyawa dengan rantai terbuka atau senyawa alifatis.

2. Senyawa Naphtena

Senyawa naphtena digolongkan sebagai senyawa hidrokarbon yang mempunyai rantai tertutup atau struktur berbentuk cincin. Senyawa ini dikenal pula sebagai senyawa alisiklis. Masing-masing cincin dapat berisi lima atau enam atom karbon. Senyawa naphtena dapat berupa monosiklik, disiklik, dan seterusnya tergantung pada jumlah cincin yang dimilikinya. Pada masing-masing cincin dapat pula terhubung.

3. Senyawa Aromatik

Senyawa ini memiliki satu atau lebih cincin aromatik yang dapat bergabung dengan cincin alisiklik. Beberapa senyawa aromatik berfungsi sebagai penghambat Universitas Sumatera Utara oksidasi inhibitor dan penjaga kestabilan, tetapi jika jumlahnya terlalu banyak akan bersifat merugikan yaitu berkurangnya kekuatan dielektrik, serta berkurangnya sifat pelarutan minyak terhadap isolasi padat di dalamnya. Ketiga hidrokarbon diatas memiliki fungsi yang berbeda pada minyak mentah. Minyak isolasi transformator merupakan minyak mineral yang antara ketiga jenis minyak dasar tersebut tidak boleh dilakukan pencampuran karena memiliki sifat fisik maupun kimia yang berbeda.

II.2.2. Senyawa Non Hidrokarbon

Unsur pokok nonhidrokarbon yang terdapat dalam minyak transformator adalah substansi asphalt tar, senyawa organik yang mengandung belerang dan nitrogen, asam naphtena, ester, alkohol dan senyawa organometalik.

1. Ter

Selama Proses Pemurnian minyak trafo, sebagian besar ter dihilangkan. Pada minyak hasil pemurnian ini hanya terdapat ter dengan konsentrasi rendah yaitu antara 2 – 2.5 berat. Walaupun jumlahnya sangat sedikit, beberapa jenis senyawa ini mempunyai pengaruh pada sifat kerja minyak transformator. Senyawa ini memberikan warna yang khas pada minyak, beberapa diantaranya memiliki efek sebagai penghambat. Ter juga mempercepat proses oksidasi. Ter diklasifikasikan sebagai berikut : a. Ter netral, senyawa yang larut dalam minyak eter yang berwujud cair atau semi cair dengan masa jenis sekitar satu. Universitas Sumatera Utara b. Asphaltena, substansi padat yang tidak larut dalam minyak eter tetapi larut dalam benzena, senyawa benzena seri, kloroform dan karbon disulfida. Bermassa jenis lebih besar dari satu. c. Karbena, substansi yang tidak larut dalam pelarut konvensional tetapi dapat larut sebagian dalam pridin dan karbon disulfida.

2. Senyawa Sulfur belerang

Senyawa sulfur selalu terdapat pada semua minyak mentah, jumlahnya bervariasi mulai lebih kecil dari 1 sampai dengan 20 berat. Senyawa ini mempunyai pengaruh pada sifat-sifat minyak dan turut menentukan proses yang diperlukan untuk mengolah minyak. Bagian dari hasil penyulingan minyak yang mempunyai titik didih rendah hampir semua senyawa sulfur terdapat didalamnya, tetapi untuk hasil penyulingan yang mempunyai titik didih di atas 200 ºC kebanyakan mengandung senyawa sulfur dengan struktur siklis. Beberapa kelompok besar senyawa sulfur yang terdapat dalam minyak adalah : a. Mercaptan tiol, senyawa ini mempunyai rumus kimia RSH, dimana R besar adalah radikal parafin dengan rantai lurus atau bercabang atau, radikal hidrokarbon siklik aromatik atau alisiklik. b. Sulfida thiaalkana, senyawa ini mempunyai rumus kimia RSR1, dimana R dan R1 adalah radikal hidrokarbon. c. Disulfida bithiaalkana, dengan rumus kimia RSSR. d. Thiopena, struktur dasar dari senyawa ini adalah struktur cincin dengan lima atom, salah satunya atom belerang. Universitas Sumatera Utara Beberapa senyawa belerang yang terdapat di dalam minyak rafo bersifat kororsif dan tidak stabil. Oleh karena itu dalam proses destilasi minyak diusahakan untuk menghilangkann atau menekan jumlah senyawa belerang agar pengkorosian tembaga yang berhubungan langsung dengan minyak transformator dapat dicegah atau dikurangi.

3. Senyawa Nitrogen

Jumlah senyawa nitrogen yang terkandung dalam minyak cukup kecil, paling tinggi 0.8. Walaupun senyawa ini sangat sedikit terdapat dalam minyak, senyawa ini memegang peranan yang sangat penting pada proses oksidasi yang bersifat katalis sehingga kehadirannya tidak diharapkan.

4. Asam Naphtena dan beberapa senyawa yang mengandung oksigen

Asam naphtena juga terdapat dalam minyak bumi dalam jumlah yang cukup besar. Sebagian besar diantaranya terbuang selama proses pemurnian minyak sehingga jumlahnya tinggal sedikit sekali sekitar 0.02. Disamping asam-asam naphtena, minyak juga mengandung asam-asam dari senyawa alifatik dan aromatik dalam jumlah yang kecil sekali, selain itu masih terdapat pula senyawa ester, alkohol, keton, peroksida.

5. Senyawa yang mengandung logam

Minyak trafo selalu mengandung garam-garam dari asam organik dan senyawa metal kompleks. Minyak juga mengandung logam besi, tembaga, Universitas Sumatera Utara aluminium, titanium, kalsium, molibdenum, timah, magnesium, krom dan perak walaupun dalam jumlah yang sangat sedikit. [14]

II.3. Jenis – Jenis Minyak Isolasi

Minyak isolasi terdiri dari beberapa jenis baik dari segi pembuatan maupun dari segi bahannya. Pembagian jenis isolasi ditentukan berdasarkan bahan dan cara pembuatannya. Saat ini minyak isolasi yang sering digunakan adalah : - Minyak isolasi mineral - Minyak isolasi sintetis [3]

II.3.1. Minyak Isolasi Mineral

Minyak isolasi mineral adalah minyak isolasi yang bahan dasarnya berasal dari minyak bumi yang diproses dengan cara destilasi. Minyak isolasi hasil destilasi ini harus mengalami beberapa proses lagi agar diperoleh tahanan isolasi yang tinggi, stabilitas panas yang baik, mempunyai karakteristik panas yang stabil, dan memenuhi syarat – syarat teknis yang lain. Minyak isolasi mineral banyak digunakan pada transformator daya, kabel, pemutus daya CB, dan kapasitor. Dalam hal ini minyak isolasi dapat berfungsi sebagai bahan dielektrik, bahan pendingin, dan pemadam busur api.

II.3.2. Minyak Isolasi Sintetis

Penggunaan minyak isolasi mineral masih memiliki keterbatasan karena memiliki sifat yang mudah beroksidasi dengan udara, mudah mengalami pemburukan Universitas Sumatera Utara serta sifat kimianya yang dapat berubah akibat kenaikkan temperatur yang terjadi ketika memadamkan busur api saat peralatan beroperasi. Penggunaan minyak isolasi sintetis untuk masa akan yang datang diharapkan mampu menutupi keterbatasan – keterbatasan minyak isolasi mineral. Oleh sebab itu saat ini banyak dikembangkan penelitian – penelitian tentang kemungkinan pemakaian dari beberapa jenis minyak isolasi sintetis pada peralatan tegangan tinggi. Minyak isolasi sintetis adalah minyak isolasi yang diolah dengan proses kimia untuk mendapatkan karakteristik yang lebih baik. Sifat – sifat penting dari minyak isolasi sintetis bila dibandingkan dengan minyak isolasi mineral adalah : 1. Kekuatan dielektriknya diatas 40 kV. 2. Harganya murah, sukar terbakar, dan tidak mengendap. 3. Berat jenisnya adalah 1,56 dan jika dicampur dengan air, minyak isolasi berada di bawah permukaan air sehingga mempermudah dalam proses pemurnian dan pemisahan kadar air dalam minyak. 4. Mempunyai daya hantar panas yang sama dengan minyak isolasi mineral. 5. Pada kondisi pemakaian yang sama dengan minyak mineral, uap lembab akan menyebabkan oksidasi yang berlebih serta penurunan kekuatan dielektrik lebih cepat pada minyak sintetis bila dibandingkan dengan minyak mineral akan tetapi karena umurnya lebih panjang dan sifat pendinginnya lebih baik, maka pada beberapa pemakaian minyak isolasi sintetis banyak digunakan. Universitas Sumatera Utara Berikut adalah jenis – jenis minyak isolasi sintetis :

1. Askeral

Askeral adalah minyak isolasi sintetis yang tidak mudah terbakar apabila terjadi percikan api dan tidak menghasilkan gas yang mudah terbakar. Salah satu jenis askeral yang banyak digunakan adalah dari jenis chlorinated hidrokarbon. Chlorinated hidrokarbon adalah hasil senyawa dari hidrokarbon seperti benzene C 6 H 6 dan diphenyl C 6 H 5 - C 6 H 5 dengan atom clor Cl pada suhu tinggi sehingga sebagian atom hidrogen diganti oleh clor. Kelebihan – kelebihan dari minyak askeral adalah : - Mempunyai kekuatan dielektrik yang lebih tinggi - Mempunyai sifat thermal, sifat kimia, dan sifat listrik yang stabil Tetapi disamping itu minyak askeral memiliki kelemahan yaitu apabila terjadi percikan api dapat menghasilkan asam klorida HCL yang bersifat korosif pada logam.

2. Silikon Cair Silicon Liquids

Minyak isolasi silikon cair adalah campuran dari atom silikon Si dan oksigen O 2 dengan bahan organic seperti methyl dan penhyl. Minyak isolasi silikon sebagai bahan isolasi cair mempunyai ketahanan yang baik terhadap temperatur yang tinggi yaitu sekitar 200 ºC, mempunyai permitifitas yang rendah 2,20-2,27 dan juga tahan terhadap tegangan dengan frekuensi yang tinggi sampai 1 MHz. Oleh karena sifat dielektrik tersebut silikon cair digunakan pada peralatan radar, penerbangan, dan Universitas Sumatera Utara transformator radio. Silikon cair juga digunakan untuk isolator keramik dengan tujuan memperbesar tahanan permukaan isolator. Kekurangan dari isolator cair adalah menghasilkan gas yang banyak apabila terjadi percikan api yang akan menurunkan kekuatan dielektriknya. Selain itu minyak isolasi ini relatif mahal sehingga jarang digunakan pada transformator tenaga yang besar.

3. Flourinasi Cair Flourinated Liquids

Flourinasi cair adalah jenis minyak isolasi yang bahan dasarnya adalah senyawa organik yang sebagian atom karbonnya telah diganti dengan atom flour F. Dalam beberapa tahun ini telah dikembangkan beberapa senyawa flour organik, diantaranya adalah C 4 H 9 3 N dan C 4 F 9 2 O. Cairan ini mempunyai sifat kimia yang sangat stabil dan dapat digunakan secara kontiunitas pada suhu 200 ºC bahkan lebih. Secara umum karakteristik listrik dari flourinasi cair adalah : • Tg δ tidak lebih dari 0,0005 • Resistivitas berkisar antara 10 14 - 10 17 Ω.cm • Konstanta dielektrik 1,77 – 1,86 Cairan flour organik mempunyai transfer panas yang lebih baik dari minyak isolasi tambang dan juga dari minyak isolasi silikon. Penggunaan minyak isolasi ini adalah pada peralatan elektronika dan transformator elektronik. Kekurangan dari minyak isolasi ini adalah penurunan sifat – sifat dielektriknya yang disebabkan kandungan uap air dan mempunyai sifat mudah Universitas Sumatera Utara menguap. Minyak fluorinated mempunyai harga yang relatif lebih mahal dibandingkan dengan minyak mineral.

4. Ester Sintetis

Jenis minyak ini adalah minyak isolasi cair yang diolah sedemikian rupa dari minyak paraffin untuk mendapatkan karakteristik elektrik yang lebih baik. Sehingga didapatkan sifat – sifat seperti dibawah ini : • Mempunyai sifat thermal yang lebih stabil • Tidak mudah terbakar • Dapat digunakan diatas suhu 300 ºC Ester yang digunakan dalam kelistrikan adalah terbuat dari proses kimia yang lebih bersih seperti pentaerythrinol dan asam heptanoik. Hasil dari esterifikasi adalah minyak putih yang mempunyai struktur molekul yang simetris dan terbebas dari kandungan ionik, sehingga mempunyai karakteristik listrik yang lebih baik.

II.4. Syarat – Syarat Minyak Isolasi

Menurut SPLN 49 – 91 : 1982 minyak isolasi harus memiliki beberapa syarat [7-8] , yaitu :

1. Kejernihan Appearance

Minyak tidak boleh mengadung suspensi atau endapan sedimen.

2. Massa Jenis Density

Nilai massa jenis minyak tidak boleh melebihi 0,859 gcm 2 pada suhu 20 o C Universitas Sumatera Utara

3. Viskositas Kinematik Kinematic Viscosity

Viskositas atau biasa disebut kekentalan sangat penting pada isolasi cair. Hal ini dikarenakan viskositas berpengaruh pada kemurnian isolasi cair banyaknya kontaminan partikel padat dan pendinginan suatu peralatan listrik. Isolasi cair yang baik haruslah mempunyai viskositas yang rendah sehingga kemungkinan isolasi cair terkontaminasi akan kecil. Selain itu jika viskositas isolasi cair rendah, proses sirkulasi isolasi cair pada peralatan listrik akan berlangsung dengan baik sehingga akhirnya pendinginan inti dan belitan transformator dapat berlangsung dengan sempurna. Viskositas juga memegang peranan dalam menentukan kelas minyak. Viskositas Kinematik tidak boleh melebihi batas yang ditunjukan pada Tabel 2.1. Tabel 2.1 Nilai Viskositas Kinematik Berdasarkan Kelas Minyak

4. Titik Nyala Flash Point

Titik nyala juga tergantung dari kelas minyaknya, berikut nilai titik nyala dapat dilihat pada tabel dibawah ini : Tabel 2.2. Nilai Flash Point Minimun Berdasarkan Kelas Minyak Kelas Minyak Flash Point Minimum Kelas I 140 o C Kelas II 130 o C Suhu Kelas Minyak Kelas I Kelas II 20 o C -15 o C -30 o C 40 cSt 800 cSt - 25 cSt 1800 cSt - Universitas Sumatera Utara

5. Titik Tuang Pour Point

Minyak dengan titik tuang yang rendah akan berhenti mengalir pada suhu yang rendah. Titik tuang digunakan untuk mengidentifikasi dan menentukan jenis peralatan yang akan menggunakan minyak isolasi. Titik tuang juga bergantung pada kelas minyaknya, hal ini dapat dilihat pada tabel di bawah ini : Tabel 2.3. Nilai Pour Point Minimun Berdasarkan Kelas Minyak Kelas Minyak Pour Point Maksimum Kelas I -30 o C Kelas II -45 o C

6. Tegangan Tembus Breakdown Voltage

Tegangan tembus yang terlalu rendah menunjukan adanya kontaminasi berupa air, kotoran, atau partikel konduktif dalam minyak. Nilai tegangan tembus pada minyak baru minimal 30 kV sebelum mengalami perawatan dan 50 kV setelah perawatan dengan jarak sela 2,5 mm.

7. Kandungan Air Water Content

Adanya air dalam minyak isolasi akan menurunkan tegangan tembus dan tahanan jenis minyak isolasi dan juga adanya air akan mempercepat kerusakan kertas pengisolasi insulating paper.

8. Angka kenetralan

Angka kenetralan merupakan harga yang menunjukan penyusun asam minyak isolasi dan dapat mendeteksi kontaminasi minyak, menunjukkan kecendrungan Universitas Sumatera Utara perubahan kimia atau cacat atau indikasi perubahan kimia dalam bahan tambahan additive. Angka kenetralan dapat dipakai sebagai petunjuk untuk menentukan apakah minyak sudah harus diganti atau diolah. Angka kenetralan tidak boleh melebihi dari 0,03 mg KOHgr.

9. Faktor Kebocoran Dielektrik Dielektrik Dissipation Factor

Harga yang tinggi dari factor ini menunjukan adanya kontaminasi atau hasil kerusakan deterioration product, misalnya air, hasil oksidasi, logam alkali, koloid bermuatan dan sebagainya. Nilai maksimal untuk faktor kebocoran dielektrik adalah 0,05.

10. Korosi Belerang Korosive Sulphur

Pengujian ini menunjukan adanya kemungkinan korosi yang dihasilkan dari adanya belerang yang tidak stabil dalam minyak isolasi.

11. Tahanan Jenis Resistivity

Tahanan jenis yang rendah menunjukan terjadinya kontaminasi yang bersifat konduktif konductive contaminants.

12. Tegangan Permukaan Interfacial Tension = Dyne cm

Adanya kontaminasi zat yang terlarut dan gas bebas soluble contamination atau hasil – hasil kerusakan minyak umumnya menurunkan nilai tegangan permukaan. Penurunan tegangan permukaan juga menurunkan indikator yang peka bagi awal kerusakan minyak.

13. Kandungan Gas

Adanya gas terlarut dan gas bebas dalam minyak isolasi dapat digunakan untuk mengetahui kondisi tranformator dalam keadaan operasi. Adanya gas seperti Universitas Sumatera Utara hydrogen H 2 , metana CH 4 , etana C 2 H 6 , etilen C 2 H 4 , dan asetilin C 2 H 2 menunjukan terjadinya dekomposisi minyak isolasi pada kondisi operasi, sedangkan adanya karbon dioksida CO 2 dan karbon monoksida menunjukan kerusakan pada beban isolasi.

14. Ketahanan Oksidasi Oxidation Stability

Nilai setelah mengalami oksidasi adalah : - Angka kenetralan tidak lebih dari 0,4 mg KOHgr - Kotoran tidak lebih dari 0,1 dari beratnya.