PENGARUH PERSENTASE FENOL TERHADAP KEKUATAN DIELEKTRIK MINYAK JAGUNG

Transkripsi

1 PENGARUH PERSENTASE FENOL TERHADAP KEKUATAN DIELEKTRIK MINYAK JAGUNG Benito Arif Nugroho, Syahrawardi Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan INDONESIA Abstrak Minyak nabati, seperti minyak jagung, dapat digunakan untuk alternatif lain pembuatan isolasi cair. Dari pengujian yang dilakukan, kekuatan dielektrik minyak jagung masih belum memenuhi standar untuk digunakan sebagai isolator cair. Hasil pengujian menunjukkan minyak jagung memiliki kekuatan dielektrik lebih tinggi sesudah ditambahkan fenol. Variasi persentase fenol yang terlarut di dalam minyak jagung juga menghasilkan besar kekuatan dielektrik yang berbeda pula. Untuk memenuhi nilai standar SPLN 491 : 1982 untuk tegangan tembus yaitu 30 KV pada jarak sela 2,5 mm, maka persentase fenol di dalam minyak jagung adalah 8,52 %. Kata Kunci: kekuatan dielektrik, minyak jagung, fenol 1. Pendahuluan Peralatan tegangan tinggi sangat membutuhkan isolasi dalam penggunaannya. Isolasi cair banyak digunakan pada peralatan tegangan tinggi seperti transformator, sekaligus sebagai bahan pendingin. Bahan isolasi cair yang banyak digunakan saat ini masih berupa olahan dari minyak bumi. Banyak penelitian dilakukan untuk mencari sumber baru bahan isolasi cair, dimana sumber tersebut diusahakan berupa bahan organik yang bisa diuraikan oleh alam dan ramah lingkungan. Dari hasil penelitian tersebut diperoleh kesimpulan bahwa minyak nabati seperti minyak jagung merupakan salah satu sumber yang berpotensi menggantikan minyak isolasi berbasis minyak bumi. Namun kemampuan minyak nabati sebagai bahan isolasi cair masih kalah dibandingkan dengan isolasi cair yang berasal dari olahan minyak bumi, sehingga penambahan zat aditif bisa sangat berguna. Penambahan zat aditif seperti fenol dapat membantu mengoptimalkan peran minyak nabati sebagai isolasi cair untuk peralatan tegangan tinggi. Adapun tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui kekuatan dielektrik minyak jagung, membandingkan pengaruh penambahan zat aditif berupa fenol pada minyak jagung, dan mengetahui kelayakan minyak jagung untuk dijadikan bahan isolasi cair dari segi tegangan tembusnya. Penelitian ini bermanfaat untuk memberi informasi tentang pengaruh penambahan zat aditif pada minyak nabati terhadap sifat elektrikalnya, dan memberi informasi tentang kelayakan minyak jagung untuk dijadikan bahan isolasi cair dari segi tegangan tembusnya. Adapun batasan masalah dalam Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut: 1. Tidak membahas reaksi kimia yang terjadi 2. Tidak membahas pengaruh luar berupa suhu, kelembaban, dan tekanan 3. Konsentrasi fenol yang dicampurkan adalah 2,5%, 5%, 7,5%, dan 10% 2. Minyak Isolasi dan Fenol Beberapa sifat yang harus terdapat pada isolator cair antara lain [1]: 1. Tegangan tembus yang tinggi 2. Faktor kebocoran dielektrik yang rendah 3. Viskositas yang rendah 35 DTE FT USU

2 4. Titik nyala yang tinggi 5. Massa jenis yang rendah 6. Kestabilan kimia dan penyerapan gas yang baik 7. Angka kenetralan 8. Korosi belerang 9. Resistivitas Minyak isolasi terdiri dari beberapa jenis, berdasarkan bahan pembuatnya, minyak isolasi terdiri dari: minyak isolasi mineral, minyak isolasi sintesis, minyak isolasi nabati. Pada Gambar 1 dapat dilihat secara morfologis buah jagung tersusun berturutturut dari luar adalah: kulit atau kelobot, biji, dan tongkol. Biji jagung sendiri tersusun atas kulit (pericarp), biji (endosperm), lembaga (germ). Secara neraca massa (bahan) dari satu ton jagung diperkirakan dapat dihasilkan 35 kg minyak jagung [2]. Penggunaan minyak isolasi untuk peralatan tegangan tinggi harus memenuhi syarat tertentu seperti SPLN 491 : Untuk standar penggunaan minyak isolasi berdasarkan SPLN 491 : 1982, dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Standar Minyak Isolasi Baru Menurut SPLN 491 : 1982 No Sifat Minyak Isolasi Satuan Kejernihan Massa Jenis (20 o C) Viskositas Kinematik 20 o C 15 o C 30 o C Titik Nyala Titik Tuang Angka Kenetralan Korosi Belerang g/cm 3 cst cst cst o C o C mg KOH/g Kelas Kelas 1 2 Jernih 0, < 0,03 Tidak korosif 8 Tegangan Tembus a. Sebelum diolah b. Sesudah diolah KV/ 2,5 mm Faktor Kebocoran Dielektrik 0,05 Gambar 1. Morfologi biji jagung 10 Ketahanan Oksidasi Angka kenetralan Kotoran Mg KOH/g % 0,40 0,10 Bagian yang mengandung minyak adalah lembaga (germ). Germ yang dipisahkan dari endosperma merupakan bahan baku minyak jagung. Pada Gambar 2 dapat dilihat proses pembuatan minyak jagung secara berturut. Fenol atau asam karbolat atau benzenol mempunyai rumus kimia C 6 H 5 OH dan strukturnya memiliki gugus hidroksil (OH) yang berikatan dengan cincin fenil. Fenol merupakan salah satu dari sekian banyak senyawa turunan benzena. Fenol berbentuk kristal pada suhu ruangan karena mempunyai titik beku pada 42 o C. Fenol juga mempunyai bau yang khas dan cukup menyengat. Fenol memiliki sifat yang cenderung asam, artinya dapat melepaskan ion H + dari gugus hidroksilnya. Pengeluaran ion tersebut menjadikan anion fenoksida C 6 H 5 O yang dapat dilarutkan dalam air. Struktur atom fenol dapat dilihat pada Gambar 3. Gambar 2. Skema Pemurnian Minyak Jagung Gambar 3. Struktur Atom Fenol 36 DTE FT USU

3 Fenol mempunyai sifatsifat sebagai berikut: Sifat Fisik: a) Berbentuk kristal dan aroma yang khas b) Dapat berupah warna bila tercemar atau terlalu lama terkena udara c) Titik didih : 182 o C ; Titik beku : 42 o C d) Massa jenis : 1,071 gr/cm 3 e) Fenol memiliki kelarutan terbatas dalam air, yakni 8,3 gram/100 ml Sifat Kimia: a) Beracun, dapat membuat kulit melepuh b) Bersifat asam lemah c) Mudah larut dalam alkohol, gliserol, minyak, ether, dan air 3. Mekanisme Tembus Listrik Pada Isolasi Cair Suatu dielektrik tidak mempunyai elektronelektron bebas, melainkan elektronelektron yang terikat pada inti atom unsur yang membentuk dielektrik tersebut. Pada Gambar 4 ditunjukkan suatu bahan dielektrik yang ditempatkan di antara dua elektroda piring sejajar. Apabila kedua elektroda tersebut diberi tegangan searah V, maka timbul medan elektrik (E) di dalam dielektrik. Medan elektrik ini memberikan gaya kepada elektronelektron agar terlepas dari ikatannya dan menjadi elektron bebas. Dengan kata lain medan elektrik merupakan beban terhadap dielektrik agar berubah sifatnya menjadi konduktor. V + ɛ r E Elektroda Dielektrik Elektroda Gambar 4. Medan Elektrik Dalam Dielektrik [3] Beban yang dipikul dielektrik ini disebut terpaan medan elektrik. Setiap dielektrik mempunyai batas kemampuan untuk memikul terpaan elektrik. Jika terpaan elektrik melebihi batas dan berlangsung cukup lama, maka dielektrik akan menghantarkan arus atau gagal dalam melaksanakan fungsinya sebagai isolator. Hal ini disebut sebagai tembus listrik atau breakdown. Jadi kekuatan dielektrik bisa diartikan terpaan elektrik tertinggi yang dapat dipikul suatu dielektrik tanpa menyebabkan dielektrik tersebut breakdown. Jika suatu dielektrik mempunyai kekeuatan dielektrik E k, maka terpaan elektrik yang dapat dipikulnya adalah E k [3]. Pada penerapan tegangan kekuatan dielektrik didefinisikan sebagai perbandingan antara tegangan yang menyebabkan kerusakan atau tembus listrik (V) dengan tebal isolasi (d) yang memisahkan antara elektroda. Hal ini dapat dilihat pada Persamaan (1): E =...(1) Teori kegagalan isolasi yang terjadi pada minyak transformator dibagi menjadi empat jenis sebagai berikut [4]: 1. Teori kegagalan elektronik 2. Teori kegagalan gelembung gas 3. Teori kegagalan partikel padat 4. Teori kegagalan bola cair 4. Pengujian Pengaruh Persentase Fenol Terhadap Kekuatan Dielektrik Minyak Jagung Peralatanperalatan yang digunakan saat pengujian dilakukan antara lain: 1. Trafo Uji 220 V / 100 kv, 5 kva, 50 Hz 2. Voltmeter AC 3. Bejana dengan elektroda bola (diameter 13 mm) 4. Gelas pemanas 5. Gelas beker 25 ml dan 250 ml 6. Pengaduk/spatula Rangkaian pengujian untuk menguji tegangan tembus minyak jagung dapat dilihat pada Gambar 5. Gambar 5. Rangkaian Pengujian Tegangan Tembus Minyak Keterangan: AT = Autotrafo; TU = Trafo Uji; PT = Trafo Ukur; V = Voltmeter AC; EB = Elektroda Bola 37 DTE FT USU

4 Prosedur pengujian yang dilakukan adaalah sebagai berikut: 1. Panaskan kristal fenol hingga mencair dengan gelas pemanas 2. Tuang fenol yang sudah dicairkan ke dalam gelas beker 25 ml sebanyak 5 ml, lalu pindahkan fenol tadi ke dalam gelas beker 250 ml. 3. Tuang sampel minyak jagung ke dalam gelas beker 250 ml hingga volume campuran antara minyak jagung dan fenol mencapai 200 ml. Aduk hingga bercampur. 4. Tuang minyak yang sudah bercampur fenol ke dalam bejana pengujian. 5. Atur jarak sela antara elektroda bola sampai 2,5 mm 6. Buat rangkaian pengujian seperti pada Gambar Saklar utama S1 ditutup dan AT diatur hingga tegangan keluarannya nol. 8. Naikkan tegangan input pada TU secara bertahap hingga terjadi tembus listrik. 9. Catat nilai tegangan tembus pada voltmeter. 10. Buka saklar utama S1 dan saklar sekunder S Tunggulah selama 23 menit sebelum percobaan selanjutnya. Aduk minyak pada bejana untuk menghilangkan gelembung udara yang timbul akibat tembus listrik. 12. Ulangi prosedur 7 11 sebanyak 5 kali lagi per variasi konsentrasi campuran fenol. Ulangi prosedur 1 11 untuk variasi persentase konsentrasi campuran fenol sebanyak 5%, 7,5% dan 10% Berdasarkan prosedur percobaan yang dilakukan, maka didapatlah data hasil pengujian seperti pada Tabel 2, Tabel 3, Tabel 4, Tabel 5, dan Tabel 6. Tabel 2. Data Hasil Pengujian Tegangan Tembus Minyak Jagung Murni 1 6,7 2 10,6 3 11,4 4 10, ,3 RataRata 10,48 Tabel 3. Data Hasil Pengujian Tegangan Fenol Sebanyak 2,5% 1 10,2 2 16,6 3 15,8 4 16,1 5 17,3 6 16,5 RataRata 16,46 Tabel 4. Data Hasil Pengujian Tegangan Fenol Sebanyak 5% 1 17,6 2 21,9 3 20,6 4 22,4 5 20,7 6 23,1 RataRata 21,74 Tabel 5. Data Hasil Pengujian Tegangan Fenol Sebanyak 7,5% 1 25,8 2 27,4 3 28,6 4 27,6 5 29,3 6 28,1 RataRata 28,2 Tabel 6. Data Hasil Pengujian Tegangan Fenol Sebanyak 10% 1 28,9 2 32,7 3 34,3 4 33,9 5 33,7 6 32,3 RataRata 33,38 38 DTE FT USU

5 Dari data pengujian, maka dapat dicari nilai kekuatan dielektrik dari minyak jagung, dengan Persamaan 4.1 : E =.ƞ... (2) Dengan : E = Kuat medan listrik yang dapat ditahan oleh dielektrik (KV/mm) V = Tegangan maksimum yang dibaca alat ukur (KV) S = Jarak sela antar elektroda Ƞ= Faktor efisiensi = f (p,q) p = ; q = (3) dengan R,r = radius masingmasing elektroda = 6,5 mm Maka, didapat nilai p = 1,385 dan q = 1, kemudian berdasarkan Gambar 6, maka faktor efisiensi untuk f(1,385;1) = 0,881 Faktor Effisiensi (q = 1) indeks nilai p y = 3E06x 6 0,000x 5 + 0,002x 4 0,020x 3 + 0,128x 2 0,539x + 1,428 Gambar 6. Grafik Faktor Efisiensi Untuk Susunan Elektroda BolaBola Didapatlah analisa data sebagai berikut: a) Untuk Minyak Jagung Tanpa Fenol E = 10,48 2,5. 0,881 = 4,76 / b) Untuk Konsentrasi Fenol 2,5% E = 16,46 2,5. 0,881 = 7,47 / c) Untuk Konsentrasi Fenol 5% E = 21,74 2,5. 0,881 = 9,87 / d) Untuk Konsentrasi Fenol 7,5% 28,2 E = 2,5. 0,881 = 12,80 / e) Untuk Konsentrasi Fenol 10% E = 33,38 2,5. 0,881 = 15,16 / Dari data dan analisa data percobaan dapat digambarkan grafik seperti pada Gambar 7 dan Gambar 8. Gambar 7. Grafik Perbandingan Tegangan Tembus Ratarata Terhadap Persentase Fenol dalam Minyak Jagung 20 Kekuatan Dielektrik (KV/mm) Tegangan Tembus Ratarata (KV) Gambar 8 Grafik Perbandingan Kekuatan Dielektrik Minyak Jagung Terhadap Persentase Fenol di Dalam Minyak Jagung Dari Gambar 7 dan Gambar 8 dapat dilihat bahwa tegangan tembus dan kekuatan dielektrik minyak jagung naik seiring dengan jumlah persentase fenol yang tercampur di dalamnya. Kenaikan tegangan tembus dan kekuatan dielektrik yang terjadi hampir linier, sehingga nilai tegangan tembus dapat dihitung dengan persamaan garis linier yaitu : Dimana : Persentase Fenol dalam Minyak Jagung Persentase Fenol dalam Minyak Jagung = 2, ,48...(4) y = tegangan tembus (KV) x = persentase fenol dalam minyak jagung (%) Berdasarkan Tabel 1, nilai standar SPLN 491 : 1982 untuk tegangan tembus adalah 30 KV, maka besar persentase fenol dalam minyak 39 DTE FT USU

6 jagung agar minyak jagung memenuhi standar tegangan tembus adalah 8,52 %. Kesimpulan Berdasarkan hasil pengujian yang telah dilakukan maka didapatlah kesimpulan sebagai berikut: 1. Semakin besar persentase kandungan fenol dalam minyak jagung, semakin tinggi pula kekuatan dielektrik minyak jagung. 2. Kenaikan kekuatan dielektrik cenderung linier untuk setiap variasi campurannya. 3. Untuk memenuhi nilai standar SPLN 491 : 1982 untuk tegangan tembus yaitu 30 KV, maka persentase fenol di dalam minyak jagung adalah 8,52 %. Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Ir. Syahrawardi atas bimbingannya dalam penulisan jurnal ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Bapak Ir. Hendra Zulkarnaen, Bapak Ir. Zulkarnaen Pane dan Bapak Ir. Masykur Sj. yang telah memberikan saransaran yang membangun dalam penulisan jurnal ini. Referensi [1] Setiabudy, Rudy., Material Teknik Listrik, UI Press, Depok, 2007 [2] Mangunwidjaja, Djumali, Teknologi dan Diversifikasi Pengolahan Minyak Jagung, Institut Pertanian Bogor, Bogor, 2003 [3] Tobing, Bonggas L., Dasar Teknik Pengujian Tegangan Tinggi, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 2003 [4] Salam, Mazen Abdel, et.al High Voltage Engineering Theory And Practice, Marcel Dekker,Inc, New York, DTE FT USU