-
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.