Memahami Isolator Listrik Ramah Lingkungan, Tantangan Masa Depan Indonesia

Pengantar

Isu lingkungan sudah masuk ke berbagai topik kajian dalam perkuliahan di bidang teknik elektro. Untuk bidang saya teknik tegangan tinggi misalnya juga tidak ketinggalan. Kajian dan pengajaran bahan isolasi listrik ramah lingkungan menjadi bagian yang tidak terpisahkan dewasa ini.

Tegangan tinggi adalah salah satu aspek penting dalam sistem tenaga listrik, karena dapat meningkatkan efisiensi dan mengurangi kerugian dalam transmisi dan distribusi energi listrik. Namun, tegangan tinggi juga menimbulkan tantangan dalam hal isolasi, yaitu bahan yang digunakan untuk mencegah terjadinya loncatan listrik atau kebocoran arus. 

Bahan isolasi yang digunakan untuk aplikasi tegangan tinggi harus memiliki sifat-sifat dielektrik, termal, mekanik, dan lingkungan yang baik, serta dapat mengurangi dampak negatif terhadap lingkungan dan kesehatan manusia.

Bahan isolasi konvensional yang sering digunakan untuk aplikasi tegangan tinggi adalah keramik kaca, minyak mineral, kertas, karet silikon, SF6, dan XLPE. Namun, bahan-bahan ini memiliki beberapa kelemahan, seperti biodegradabilitas yang rendah, toksisitas yang tinggi, emisi gas rumah kaca yang besar, dan kesulitan dalam proses dan penggunaan kembali. Oleh karena itu, diperlukan bahan isolasi alternatif yang lebih ramah lingkungan, tetapi tetap memiliki kinerja yang baik.

Beberapa contoh bahan isolasi ramah lingkungan yang telah diteliti dan dikembangkan untuk aplikasi tegangan tinggi adalah bahan isolasi yang berbasis pada ester, propilen, minyak nabati, green gas of grid (g3), dan elastomer termoplastik. Bahan-bahan ini memiliki keunggulan dan kelemahan masing-masing, yang dapat dipengaruhi oleh berbagai faktor, seperti komposisi, morfologi, modifikasi, dan aplikasi. Artikel ini akan membahas tentang bahan-bahan isolasi tersebut, serta tantangan dan peluang untuk pengembangan lebih lanjut.

Wikimedia Commons

Sumber: ntp-as.no

Bahan Isolasi yang Berbasis pada Ester

Ester adalah senyawa organik yang terbentuk dari reaksi antara asam karboksilat dan alkohol. Ester dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu ester alami dan ester sintetis. Ester alami adalah ester yang berasal dari sumber alam, seperti minyak nabati dan lemak hewani. Ester sintetis adalah ester yang dibuat secara buatan, seperti ester pentaeritritol dan ester trimetilolpropana.

Ester dapat digunakan sebagai bahan isolasi cair dan padat untuk aplikasi tegangan tinggi, terutama untuk transformator. Ester memiliki sifat-sifat dielektrik yang baik, seperti konstanta dielektrik yang rendah, kekuatan tembus yang tinggi, dan faktor disipasi yang rendah. Ester juga memiliki sifat-sifat lingkungan yang baik, seperti biodegradabilitas tinggi, resistensi api yang baik, dan jejak karbon yang rendah.

Namun, ester juga memiliki beberapa kelemahan, seperti biokompatibilitas yang buruk, harga yang tinggi, dan stabilitas oksidasi yang rendah. Biokompatibilitas adalah kemampuan bahan untuk berinteraksi dengan makhluk hidup tanpa menimbulkan efek negatif. Harga adalah nilai uang yang harus dibayar untuk mendapatkan bahan. Stabilitas oksidasi adalah kemampuan bahan untuk menahan proses oksidasi, yang dapat menyebabkan penurunan sifat dielektrik.

Untuk mengatasi kelemahan-kelemahan tersebut, ester dapat dimodifikasi dengan cara-cara tertentu, untuk menghasilkan bahan isolasi yang memiliki sifat-sifat yang lebih baik. Beberapa contoh modifikasi ester adalah:

Penambahan antioksidan, yang merupakan zat yang dapat menghambat atau memperlambat proses oksidasi, yang dapat menyebabkan penurunan sifat dielektrik. Antioksidan yang dapat digunakan untuk ester adalah zat-zat alami, seperti vitamin E, asam askorbat, dan asam sitrat, atau zat-zat sintetis, seperti butilhidroksianisol (BHA), butilhidroksitoluen (BHT), dan terbutilhidrokuinon (TBHQ).

Penambahan aditif, yang merupakan zat yang dapat meningkatkan atau memperbaiki sifat-sifat tertentu dari bahan. Aditif yang dapat digunakan untuk ester adalah zat-zat yang dapat menurunkan viskositas, meningkatkan kekuatan tembus, menurunkan faktor disipasi, atau meningkatkan resistensi api. Beberapa contoh aditif yang dapat digunakan untuk ester adalah polimer, silikon, nanopartikel, atau senyawa halogen.

Pemurnian, yang merupakan proses yang dapat menghilangkan atau mengurangi kandungan zat-zat yang tidak diinginkan dari bahan, seperti air, asam lemak bebas, fosfolipid, atau logam berat. Pemurnian yang dapat dilakukan untuk ester adalah proses-proses fisik, kimia, atau biologi, seperti filtrasi, sentrifugasi, destilasi, netralisasi, transesterifikasi, atau fermentasi.

Dengan melakukan modifikasi ester, bahan isolasi yang dihasilkan dapat memiliki kinerja dielektrik, termal, mekanik, dan lingkungan yang lebih baik daripada ester murni. Namun, modifikasi ester juga memerlukan biaya, waktu, dan peralatan yang lebih tinggi, serta dapat menimbulkan dampak negatif terhadap lingkungan dan kesehatan manusia.

static.vwcable.com

Bahan Isolasi yang Berbasis pada Propilen

Propilen adalah salah satu bahan dasar yang banyak digunakan untuk membuat bahan isolasi untuk aplikasi tegangan tinggi, terutama untuk kabel AC dan DC. Propilen memiliki sifat-sifat dielektrik yang baik, seperti konstanta dielektrik yang rendah, kekuatan tembus yang tinggi, dan resistensi terhadap penuaan termal, oksidasi, dan water treeing. Water treeing adalah fenomena yang terjadi ketika air menembus bahan isolasi dan membentuk struktur seperti pohon, yang dapat menurunkan sifat dielektrik dan menyebabkan kegagalan isolasi.

Namun, propilen juga memiliki beberapa kelemahan, seperti modulus Young yang rendah, elongasi yang rendah, dan transisi kaca yang tinggi. Modulus Young adalah ukuran kekakuan bahan, yang menunjukkan seberapa besar bahan tersebut dapat menahan gaya tanpa berubah bentuk. Elongasi adalah ukuran ketangguhan bahan, yang menunjukkan seberapa besar bahan tersebut dapat meregang tanpa putus. Transisi kaca adalah suhu di mana bahan berubah dari keadaan kaku dan rapuh menjadi keadaan lentur dan elastis.

Untuk mengatasi kelemahan-kelemahan tersebut, propilen dapat dicampur dengan elastomer lain atau dikopolimerisasi dengan monomer lain, untuk menghasilkan bahan isolasi yang memiliki sifat-sifat mekanik yang lebih baik, seperti modulus Young yang lebih tinggi, elongasi yang lebih tinggi, dan transisi kaca yang lebih rendah. Elastomer adalah bahan yang dapat kembali ke bentuk aslinya setelah ditarik atau ditekan. Monomer adalah molekul kecil yang dapat bergabung menjadi rantai panjang yang disebut polimer.

Beberapa contoh bahan isolasi yang berbasis pada propilen adalah:

Campuran propilen dengan etilen-propilen-dien monomer (EPDM), yang merupakan elastomer yang memiliki sifat-sifat mekanik yang baik, fleksibilitas yang tinggi, dan ketahanan terhadap retakan. Campuran ini dapat digunakan untuk isolasi kabel AC dan DC, terutama untuk tegangan menengah dan tinggi.

Campuran propilen dengan butil, yang merupakan elastomer yang memiliki sifat-sifat mekanik yang baik, fleksibilitas yang tinggi, dan ketahanan terhadap ozon. Campuran ini dapat digunakan untuk isolasi kabel AC dan DC, terutama untuk tegangan rendah dan menengah.

Campuran propilen dengan silikon, yang merupakan elastomer yang memiliki sifat-sifat mekanik yang baik, fleksibilitas yang tinggi, dan ketahanan terhadap suhu tinggi. Campuran ini dapat digunakan untuk isolasi kabel AC dan DC, terutama untuk tegangan tinggi dan ekstra tinggi.

Kopolimer propilen-etilen (PEP), yang merupakan polimer yang memiliki sifat-sifat mekanik yang baik, fleksibilitas yang tinggi, dan transparansi yang tinggi. Kopolimer ini dapat digunakan untuk isolasi kabel AC dan DC, terutama untuk tegangan rendah dan menengah.

Kopolimer propilen-etilen-butena (PEPB), yang merupakan polimer yang memiliki sifat-sifat mekanik yang baik, fleksibilitas yang tinggi, dan transparansi yang tinggi. Kopolimer ini dapat digunakan untuk isolasi kabel AC dan DC, terutama untuk tegangan menengah dan tinggi.

Kopolimer propilen-etilen-hexena (PEH), yang merupakan polimer yang memiliki sifat-sifat mekanik yang baik, fleksibilitas yang tinggi, dan transparansi yang tinggi. Kopolimer ini dapat digunakan untuk isolasi kabel AC dan DC, terutama untuk tegangan tinggi dan ekstra tinggi.

Sifat-sifat dielektrik, termal, mekanik, dan penuaan dari bahan-bahan isolasi yang berbasis pada propilen dapat dipengaruhi oleh komposisi dan morfologi dari campuran atau kopolimer. Komposisi adalah perbandingan antara propilen dan elastomer atau monomer lain dalam bahan isolasi. 

Morfologi adalah bentuk dan struktur dari bahan isolasi, yang dapat berupa amorf, kristalin, atau semi-kristalin. Amorf adalah keadaan di mana molekul-molekul bahan tidak tersusun secara teratur. Kristalin adalah keadaan di mana molekul-molekul bahan tersusun secara teratur dan membentuk pola yang berulang. Semi-kristalin adalah keadaan di mana molekul-molekul bahan tersusun secara teratur pada beberapa bagian dan tidak teratur pada bagian lain.

Dengan menyesuaikan komposisi dan morfologi dari bahan isolasi yang berbasis pada propilen, kinerja isolasi dapat disesuaikan dengan kebutuhan dan aplikasi yang berbeda. Misalnya, dengan meningkatkan kandungan propilen dalam campuran atau kopolimer, sifat-sifat dielektrik dapat ditingkatkan, seperti konstanta dielektrik yang lebih rendah, kekuatan tembus yang lebih tinggi, dan faktor disipasi yang lebih rendah. 

Faktor disipasi adalah ukuran kehilangan energi listrik dalam bahan isolasi akibat pemanasan. Namun, dengan meningkatkan kandungan propilen, sifat-sifat mekanik dapat menurun, seperti modulus Young yang lebih rendah, elongasi yang lebih rendah, dan transisi kaca yang lebih tinggi.

Sebaliknya, dengan meningkatkan kandungan elastomer atau monomer lain dalam campuran atau kopolimer, sifat-sifat mekanik dapat ditingkatkan, seperti modulus Young yang lebih tinggi, elongasi yang lebih tinggi, dan transisi kaca yang lebih rendah. Namun, dengan meningkatkan kandungan elastomer atau monomer lain, sifat-sifat dielektrik dapat menurun, seperti konstanta dielektrik yang lebih tinggi, kekuatan tembus yang lebih rendah, dan faktor disipasi yang lebih tinggi.

Selain itu, dengan mengubah morfologi dari bahan isolasi yang berbasis pada propilen, kinerja isolasi juga dapat dipengaruhi. Misalnya, dengan meningkatkan tingkat kristalisasi dari bahan isolasi, sifat-sifat dielektrik dapat ditingkatkan, seperti konstanta dielektrik yang lebih rendah, kekuatan tembus yang lebih tinggi, dan faktor disipasi yang lebih rendah. 

Namun, dengan meningkatkan tingkat kristalisasi, sifat-sifat mekanik dapat menurun, seperti modulus Young yang lebih rendah, elongasi yang lebih rendah, dan transisi kaca yang lebih tinggi.

Sebaliknya, dengan menurunkan tingkat kristalisasi dari bahan isolasi, sifat-sifat mekanik dapat ditingkatkan, seperti modulus Young yang lebih tinggi, elongasi yang lebih tinggi, dan transisi kaca yang lebih rendah. Namun, dengan menurunkan tingkat kristalisasi, sifat-sifat dielektrik dapat menurun, seperti konstanta dielektrik yang lebih tinggi, kekuatan tembus yang lebih rendah, dan faktor disipasi yang lebih tinggi.

Oleh karena itu, bahan isolasi yang berbasis pada propilen memiliki potensi untuk digunakan sebagai bahan isolasi yang ramah lingkungan untuk aplikasi tegangan tinggi, karena memiliki sifat-sifat dielektrik dan mekanik yang tinggi, serta resistensi terhadap penuaan dan degradasi. Namun, bahan isolasi tersebut juga memerlukan penelitian dan pengembangan lebih lanjut, untuk menemukan komposisi dan morfologi yang optimal, sesuai dengan kebutuhan dan aplikasi yang berbeda.

Bahan Isolasi yang Berbasis pada Minyak Nabati

Minyak nabati adalah salah satu bahan isolasi cair yang dapat digunakan untuk aplikasi tegangan tinggi, terutama untuk transformator. Minyak nabati memiliki sifat-sifat dielektrik yang baik, seperti konstanta dielektrik yang rendah, kekuatan tembus yang tinggi, dan faktor disipasi yang rendah. Minyak nabati juga memiliki sifat-sifat lingkungan yang baik, seperti biodegradabilitas tinggi, resistensi api yang baik, dan stabilitas termal yang tinggi.

Namun, minyak nabati juga memiliki beberapa kelemahan, seperti viskositas yang tinggi, kecenderungan untuk mengalami hidrolisis, dan sensitivitas terhadap kelembaban dan oksigen. Viskositas adalah ukuran kekentalan bahan, yang menunjukkan seberapa besar bahan tersebut dapat mengalir. 

Hidrolisis adalah reaksi kimia yang terjadi ketika bahan bereaksi dengan air, yang dapat mengubah sifat-sifat bahan. Kelembaban dan oksigen adalah faktor-faktor yang dapat mempercepat proses hidrolisis dan oksidasi, yang dapat menyebabkan penurunan sifat dielektrik dan peningkatan kerentanan terhadap mikroorganisme.

Untuk mengatasi kelemahan-kelemahan tersebut, minyak nabati dapat dimodifikasi dengan cara-cara tertentu, untuk menghasilkan bahan isolasi cair yang memiliki sifat-sifat yang lebih baik. Beberapa contoh modifikasi minyak nabati adalah:

Penambahan antioksidan, yang merupakan zat yang dapat menghambat atau memperlambat proses oksidasi, yang dapat menyebabkan penurunan sifat dielektrik dan peningkatan kerentanan terhadap mikroorganisme. Antioksidan yang dapat digunakan untuk minyak nabati adalah zat-zat alami, seperti vitamin E, asam askorbat, dan asam sitrat, atau zat-zat sintetis, seperti butilhidroksianisol (BHA), butilhidroksitoluen (BHT), dan terbutilhidrokuinon (TBHQ).

Penambahan aditif, yang merupakan zat yang dapat meningkatkan atau memperbaiki sifat-sifat tertentu dari bahan. Aditif yang dapat digunakan untuk minyak nabati adalah zat-zat yang dapat menurunkan viskositas, meningkatkan kekuatan tembus, menurunkan faktor disipasi, atau meningkatkan resistensi api. Beberapa contoh aditif yang dapat digunakan untuk minyak nabati adalah polimer, silikon, nanopartikel, atau senyawa halogen.

Pemurnian, yang merupakan proses yang dapat menghilangkan atau mengurangi kandungan zat-zat yang tidak diinginkan dari bahan, seperti air, asam lemak bebas, fosfolipid, atau logam berat. Pemurnian yang dapat dilakukan untuk minyak nabati adalah proses-proses fisik, kimia, atau biologi, seperti filtrasi, sentrifugasi, destilasi, netralisasi, transesterifikasi, atau fermentasi.

Dengan melakukan modifikasi minyak nabati, bahan isolasi cair yang dihasilkan dapat memiliki kinerja dielektrik, termal, mekanik, dan lingkungan yang lebih baik daripada minyak nabati murni. Namun, modifikasi minyak nabati juga memerlukan biaya, waktu, dan peralatan yang lebih tinggi, serta dapat menimbulkan dampak negatif terhadap lingkungan dan kesehatan manusia.

Oleh karena itu, bahan isolasi yang berbasis pada minyak nabati memiliki potensi untuk digunakan sebagai bahan isolasi yang ramah lingkungan untuk aplikasi tegangan tinggi, karena memiliki sifat-sifat dielektrik dan lingkungan yang tinggi, serta kompatibilitas yang baik dengan bahan isolasi padat, seperti kertas selulosa. Namun, bahan isolasi tersebut juga memerlukan penelitian dan pengembangan lebih lanjut, untuk menemukan cara-cara yang optimal untuk memodifikasi minyak nabati, sesuai dengan kebutuhan dan aplikasi yang berbeda.

Bahan Isolasi yang Berbasis pada Elastomer Termoplastik

Elastomer termoplastik (TPE) adalah bahan isolasi yang dapat digunakan sebagai alternatif untuk cross-linked polyethylene (XLPE), yang merupakan bahan isolasi konvensional untuk kabel transmisi tegangan tinggi. TPE adalah campuran fisik polimer (biasanya plastik dan karet) yang terdiri dari bahan dengan sifat termoplastik dan elastomer. Sifat termoplastik berarti bahan dapat dilelehkan dan dibentuk kembali dengan pemanasan, sedangkan sifat elastomer berarti bahan dapat kembali ke bentuk aslinya setelah ditarik atau ditekan.

TPE memiliki sifat-sifat dielektrik yang setara atau lebih baik daripada XLPE, seperti konstanta dielektrik yang rendah, kekuatan tembus yang tinggi, dan faktor disipasi yang rendah. TPE juga memiliki sifat-sifat mekanik yang setara atau lebih baik daripada XLPE, seperti modulus Young yang tinggi, elongasi yang tinggi, dan transisi kaca yang rendah. Selain itu, TPE memiliki sifat-sifat lingkungan yang lebih baik daripada XLPE, seperti kemudahan dalam proses dan penggunaan kembali, biaya yang lebih rendah, dan jejak karbon yang lebih rendah.

Namun, TPE juga memiliki beberapa kelemahan, seperti sensitivitas terhadap suhu tinggi, oksidasi, dan radiasi, yang dapat menyebabkan penurunan sifat dielektrik dan mekanik. TPE juga memiliki beberapa tantangan, seperti kesulitan dalam pencocokan impedansi, pengendalian ketebalan, dan pengujian kinerja, yang dapat mempengaruhi kualitas dan reliabilitas isolasi.

Untuk mengatasi kelemahan dan tantangan tersebut, TPE dapat dimodifikasi dengan cara-cara tertentu, untuk menghasilkan bahan isolasi yang memiliki sifat-sifat yang lebih baik. Beberapa contoh modifikasi TPE adalah:

Penambahan pengisi, yang merupakan zat yang dapat meningkatkan atau memperbaiki sifat-sifat tertentu dari bahan. Pengisi yang dapat digunakan untuk TPE adalah zat-zat yang dapat meningkatkan sifat-sifat dielektrik, termal, mekanik, atau lingkungan. Beberapa contoh pengisi yang dapat digunakan untuk TPE adalah nanopartikel, serat, atau senyawa halogen.

Penambahan aditif, yang merupakan zat yang dapat menghambat atau memperlambat proses degradasi, yang dapat menyebabkan penurunan sifat dielektrik dan mekanik. Aditif yang dapat digunakan untuk TPE adalah zat-zat yang dapat menurunkan sensitivitas terhadap suhu tinggi, oksidasi, atau radiasi. Beberapa contoh aditif yang dapat digunakan untuk TPE adalah antioksidan, stabilisator panas, atau pelindung radiasi.

Pemilihan jenis TPE, yang merupakan jenis polimer yang digunakan untuk membuat TPE, yang dapat mempengaruhi sifat-sifat dan kinerja TPE. Ada berbagai macam TPE di pasaran, seperti thermoplastic vulcanizate (TPV), polyurethane thermoplastic elastomer (TPU), thermoplastic polyether ester elastomer (TPEE), dan lain-lain. Masing-masing jenis TPE memiliki keunggulan dan kelemahan tersendiri, yang dapat disesuaikan dengan kebutuhan dan aplikasi yang berbeda.

Dengan melakukan modifikasi TPE, bahan isolasi yang dihasilkan dapat memiliki kinerja dielektrik, termal, mekanik, dan lingkungan yang lebih baik daripada TPE murni. Namun, modifikasi TPE juga memerlukan biaya, waktu, dan peralatan yang lebih tinggi, serta dapat menimbulkan dampak negatif terhadap lingkungan dan kesehatan manusia.

Oleh karena itu, bahan isolasi yang berbasis pada TPE memiliki potensi untuk digunakan sebagai bahan isolasi yang ramah lingkungan untuk aplikasi tegangan tinggi, karena memiliki sifat-sifat dielektrik dan mekanik yang tinggi, serta kemudahan dalam proses dan penggunaan kembali. Namun, bahan isolasi tersebut juga memerlukan penelitian dan pengembangan lebih lanjut, untuk menemukan cara-cara yang optimal untuk memodifikasi TPE, sesuai dengan kebutuhan dan aplikasi yang berbeda.

Kesimpulan dan Saran

Bahan isolasi ramah lingkungan untuk aplikasi tegangan tinggi adalah materi yang memiliki sifat-sifat dielektrik, termal, mekanik, dan lingkungan yang baik, serta mampu mengurangi dampak negatif terhadap lingkungan dan kesehatan manusia. Beberapa contoh bahan isolasi ramah lingkungan yang telah dipelajari dan dikembangkan meliputi bahan isolasi berbasis ester, propilen, minyak nabati, gas g3, dan elastomer termoplastik.

Keunggulan dan kelemahan dari bahan isolasi tersebut dipengaruhi oleh berbagai faktor, termasuk komposisi, morfologi, modifikasi, dan aplikasi. Oleh karena itu, penelitian dan pengembangan lebih lanjut diperlukan untuk menemukan cara optimal meningkatkan kinerja dan keandalan isolasi sesuai dengan kebutuhan dan aplikasi yang berbeda.

Saran

1. Melakukan pengujian dan evaluasi yang komprehensif dan sistematis terhadap bahan isolasi dengan menggunakan metode yang standar dan akurat. Perbandingan hasilnya dengan bahan isolasi konvensional seperti minyak mineral, kertas, karet silikon, SF6, dan XLPE.

2. Melakukan analisis dan simulasi yang lebih mendalam dan rinci terhadap sifat-sifat dan perilaku bahan isolasi menggunakan model matematika, fisika, atau kimia. Faktor-faktor seperti suhu, tekanan, frekuensi, arus, dan tegangan harus dipertimbangkan.

3. Melakukan eksperimen dan demonstrasi yang lebih nyata dan aplikatif terhadap bahan isolasi dengan menggunakan peralatan dan prototipe sesuai dengan kondisi operasional dan lingkungan nyata. Pengukuran kinerja dan efisiensi isolasi seperti kerugian, pendinginan, dan keandalan juga harus dilakukan.

4. Melakukan studi dan analisis yang lebih luas dan objektif tentang dampak lingkungan dan kesehatan manusia dari bahan isolasi. Metode valid dan reliabel harus digunakan, dan biaya serta manfaat isolasi seperti jejak karbon, daur ulang, dan toksisitas harus dihitung.

Dengan melakukan penelitian dan pengembangan lebih lanjut, diharapkan bahan isolasi ramah lingkungan untuk aplikasi tegangan tinggi dapat menjadi solusi yang lebih baik dan berkelanjutan untuk sistem tenaga listrik di masa depan.