IDENTIFIKASI ISOLATOR KERAMIK JENIS PASAK DENGAN METODE XRD DAN SEM EDX Perdana Okto Manik, *) Perdinan Sinuhaji Departemen Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sumatera Utara, Medan e-mail:
[email protected] INTISARI Telah dilakukan penelitian tentang identifikasi isolator keramik jenis Pasak yang sering digunakan sebagai isolator listrik pada tegangan tinggi dan menengah. Isolator keramik jenis Pasak memiliki fasa Mullite 40% dengan struktur kristal orthorombik, parameter kisi a = 7,534 Å, b = 7,678 Å, dan c = 2,8814(6) Å; fasa Quartz 50% dengan struktur kristal hexagonal, parameter kisi a = 4,9332 Å, b = 4,9332 Å dan c = 5,4199 Å; fasa Grafit10 % dengan struktur kristal hexagonal, parameter kisi a = 2,4548 Å dan c = 6,702 Å. Mikrostruktur isolator keramik jenis Pasak memiliki elemen-elemen pembentuk karbon (C) 10,78 %, oksigen (O) 49,72 %, Natrium (Na) 0,54 %, Al 9,40 %, Silikon (Si) 27,41 % dan kalium (K) 2,15 %. Kata kunci : Isolator keramik, Struktur Kristal, XRD, dan SEM-EDX
ABSTRACT A Research on identification of insulator pin types of ceramic which is often used as an electrical in medium and high voltage has been done.Insulator pin types of ceramic has 40% Mullite Phase with crystal structure is Orthorombic, lattice parameters a = 7,534 Å, b = 7,678 Å, and c = 2,8814 Å; 50 % Quartz Phase with crystal structure is Hexagonal, lattice parameters a = 4,9332 Å, b = 4,9332 Å and c = 5,4199 Å; 10% Graphite Phase with crystal structur is Hexagonal, lattice parameters a = 2,4548 Å and c = 6,702 Å. Microstructure of insulator pin types of ceramic has carbon (C) 10,78 %, Oxygen (O) 49,72 %, Natrium (Na) 0,54 %, Al 9,40 %, Silicon (Si) 27,41 % and Calium (K) 2,15 %. Key words : Ceramic insulator, Crystal structure, XRD and SEM-EDX
1. PENDAHULUAN Pembangunan Nasional Indonesia khususnya pembangunan sektor kelistrikan masih terus meningkat dimana sarana penyediaan tenaga listrik PLN dengan daya terpasang diluar swasta pada tahun 2000 sekitar 20.761,69 MW meningkat menjadi 21.470 MW pada tahun 2004. Untuk 10 tahun mendatang diprediksi kebutuhan listrik yang harus disediakan PLN untuk memenuhi permintaan konsumen menjadi sekitar 37.201 MW.[3] Meningkatnya pembangunan kelistrikan di Indonesia tentunya akan membutuhkan sarana peralatan utama dan penunjang untuk distribusi dan transmisi. Salah satu komponen sistem transmisi dan distribusi energi listrik
diantaranya adalah kebutuhan isolator meningkat.[3]
Isolator. Tentunya semua jenis akan
Didalam negeri hampir semua jenis isolator keramik listrik diimpor terutama dari negara – negara seperti : Jepang, Cina, Amerika Serikat dan lain sebagainya. Industri isolator keramik dalam negeri sendiri sebagian besar masih menggunakan bahan baku yang di impor dan pada produknya sebagian merupakan hasil dari tahap perakitan. Oleh karenanya terdapat peluang untuk dapat dikembangkan lebih lanjut. Isolator listrik tegangan menengah sampai tinggi yang dipakai pada sistem transmisi atau distribusi jaringan listrik umumnya dibuat dari bahan keramik porselen yang diketahui sangat tahan terhadap tahanan 1
mekanik ataupun listrik.[6] Porselin keramik dikenal sebagai badan keramik yang dibuat dari beberapa macam bahan baku keramik. Bahan baku untuk pembuatan isolator keramik banyak tersedia didalam negeri dan belum optimal dimanfaatkan sebagai bahan utama untuk industri keramik isolator.[3] Penulis ingin mengetahui unsur, komposisi dan struktur kristal Isolator jenis Pasak serta dapat digunakan sebagai dasar pembuatan isolator keramik. Isolator jenis Pasak digunakan pada tiang-tiang lurus (tangent pole) dan tiang sudut (angle pole) untuk sudut 5o-15o. Dibandingkan dengan isolator jenis pos saluran, isolator jenis pasak ini lebih sederhana perencanaannya. Diameternya lebih kecil dan tak menggunakan kepingankepingan. Terdapat lekukan-lekukan pada permukaanya untuk mengurangi hantaran yang terjadi pada isolator. Makin tinggi tegangan isolasinya makin banyak lekukanlekukan tersebut. Isolator jenis pasak ini bagian atasnya diberi tutup (cap) dan bagian bawah diberi pasak yang terbuat dari bahan besi atau baja tempaan.[1] Bahan yang digunakan untuk isolator jenis pos ini terbuat dari bahan porselin basah yang murah harganya. Kekuatan mekanis jenis pos ini lebih tinggi dibandingkan isolator jenis pasak dan penggunaanya hanya pada jaringan distribusi primer untuk tiang lurus (tangent pole) pada sudut 5o-15o.[3], [9]
Isolator jaringan tenaga listrik merupakan alat tempat menompang kawat penghantar jaringan pada tiang-tiang listrik yang digunakan untuk memisahkan secara elektris dua buah kawat atau lebih agar tidak terjadi kebocoran arus (leakage current) atau loncatan bunga api (flash over) sehingga mengakibatkan terjadinya kerusakan pada sistem jaringan tenaga listrik. Langkah yang perlu diambil untuk menghindarkan terjadinya kerusakan terhadap peralatan listrik akibat tegangan lebih dan loncatan bunga api ialah dengan menentukan pemakaian isolator berdasarkan kekuatan daya isolasi dan kekuatan mekanis bahan-bahan isolator yang dipakai. Karena sifat suatu isolator di tentukan oleh bahan yang digunakan. Fungsi utama isolator adalah untuk penyekat atau mengisolasi penghantar dengan tanah antara penghantar dengan penghantar, untuk memikul beban mekanis yang disebabkan oleh berat penghantar dan gaya tarik penghantar dan untuk menjaga agar jarak penghantar tetap.[8] Isolator pasak yang mempunyai satu keping, biasanya digunakan untuk jaringan distribusi sekunder pada tegangan 6 kV ke bawah yang terbuat dari bahan gelas atau porselin. Untuk jaringan distribusi primer biasanya terdiri dari dua keping yang terbuat dari bahan porselin. Isolator jenis pasak ini banyak digunakan pada tiang-tiang lurus dengan kekuatan tarikan sudut hingga 10o[9].
2. TINJAUAN KEPUSTAKAAN Isolator merupakan salah satu dari 3 sifat fisis listrik zat padat yaitu, konduktor, semikonduktor, dan isolator. Dimana dari sudut pandang pita energi, suatu isolator adalah suatu material dengan celah energi yang lebar diantara pita valensi dan pita konduksi. Isolator memiliki celah yang lebar, yang merupakan pengahalang bagi elektron. Kita biasanya mendeskripsikan bahwa elektron valensi dari isolator berada pada keadaan terikat didalam ion-ion negatif (atau di dalam suatu ikatan kovalen) dan materialmaterial dielektrik memisahkan dua konduktor listrik tanpa aliran arus. Benda ini dikelompokkan sebagai isolator karena hanya sedikit elektron bebas yang tersedia dalam pita hantaran, dan bahan ini merupakan penghantar (baik elektrik maupun panas) yang buruk.[8]
Gambar 2.1 Isolator jenis pasak Kekuatan tarik isolator jenis pasak ini lebih rendah bila di bandingkan dengan isolator jenis gantung, karena kekuatan isolator jenis pasak ini ditentukan oleh kekuatan pasaknya terhadap gaya tarik kawat penghantar[9]. 2
3. PROSEDUR EKSPERIMEN 3.1 Bahan dan Alat Bahan yang digunakan adalah Isolator keramik jenis Pasak pada tegangan menengah (22-23 kV) pada jaringan transmisi listrik. Alat-alat utama yang digunakan terdiri dari, Furnance, Ball Mill BPM-4, Oven Magnet stirew, Kertas saring, SEM-EDX, XRD, Micro XRF dan PSA. 3.2 Cara Kerja a. Proses Pembuatan Sampel Isolator keramik yang digunakan dalam penelitian ini adalah Isolator jenis Pasak yang berasal dari PLN Medan. Dimana Isolator yang sudah jadi dalam bentuk pecahan yang di bagi jadi sampel. Sampel terlebih dahulu ditimbang sebanyak 200 gram kemudian dihancurkan atau dihaluskan dengan menggunakan gilingan, untuk mempercepat penghalusannya digunakan blender, kemudian dibagi dengan ukuran 200 gram. Adapun proses pengolahan Isolator tersebut sebagai berikut : Isolator sebanyak 200 gram digiling, kemudian hasil proses penggilingan tersebut diayak dengan menggunakan ayakan 200 mesh. Sampel hasil ayakan masih mengandung pengotoran, untuk menghilangkan kadar pengotoran yang terdapat pada isolator tersebut direndam dalam suatu wadah dengan larutan HCl dan diaduk dengan menggunakan magnet stirew untuk menghilangkan kadar kadungan zat besi yang terdapat pada isolator tersebut, setelah itu isolator dikalsinasi dan dikeringkan dalam furnance pada suhu 600oC selama 2 jam. Selanjutnya sampel di Ball Mill selama 24 jam untuk mendapatkan ukuran isolator yang lebih kecil. Hasil proses pengolahan isolator siap untuk dikarakterisasi. Kemudian sampel ditimbang 200 gram dan dilarutkan 250 ml kedalam air (aquades) dilakukan pengadukan sampai merata lalu dipanaskan pada oven pada suhu 8oC selama 1 jam, seterusnya ditambahkan CTAB (Cetil Trimetil Amonium Bromida) 0,25 mol dengan cara dipanaskan terlebih dahulu. Hasil pencampurannya kemudian disaring residunya dicuci berulangulang hingga didapat fitra yang jernih, kemudian residu ini dikeringkan dalam oven pada suhu 60 ℃ selama 2 hari, setelah itu isolator siap dikarakterisasi.[4]
b. Analisis Topografi Dengan SEM-EDX Analisis Topografi permukaan dan kandungan unsur yang terkandung pada isolator jenis Pasak digunakan SEM-EDX yang dilakukan di LIPI (Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia). Berkas elektron mengenai sampel yang tidak konduktif maka permukaan perlu dilapisi emas. Lensa kondensor digunakan untuk mengontrol ukuran dan sudut sebaran elektron pada sampel. Elektron yang diteruskan akan melewati lensa objektif, intermediate, dan proyektor sehingga akan menghasilkan image surface yang telah diperbesar oleh layar. c. Karakterisasi struktur Kristal XRD Hasil sintesisa sampel selanjutnya dikarakterisasi dengan XRD (X-Ray Difraction) untuk menganalisis struktur kristal isolator. Dari data XRD yang diperoleh, dilakukan identifikasi puncak-puncak grafik XRD dengan cara mencocokkan puncak yang ada pada grafik tersebut dengan database ICDD (International Centre for Diffraction Data). Setelah itu, dilakukan refinement (pemurnian) pada data XRD dengan menggunakan metode Analisis Rietveld yang terdapat pada program GSAS (general structure analysis system). Melalui refinement tersebut, fasa, sruktur, space group, dan parameter kisi sampel dapat diketahui. 4. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Analisis Struktur Isolator Jenis Pasak Analisis struktur kristal Isolator keramik jenis Pasak dilakukan dengan X-Ray Diffractometer untuk memperoleh pola difraksi seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut ini :
Gambar 1. Gambar Pola difraksi Sinar-x Sampel Isolator Jenis Pasak
3
Pola difraksi sinar-X pada Isolator jenis pasak diatas telah di interpretasikan sudut-sudut puncak yang terjadi seperti yang ditunjukkan pada lampiran 1. Identifikasi pola difraksi sinar-x sampel Isolator jenis Pasak yang diperoleh yaitu [96-901-0160] Al2.28O4.86Si0.72 (Mullite); [96-900-5022] SiO2 (Quartz); [96901-2231] C (Graphite). Sistem kristal, konstanta kisi dan densitas senyawa dapat dilihat lebih jelas seperti yang ditunjukkan pada Tabel 4.1 berikut ini : Tabel 1. Sistem Kristal, Konstanta kisi dan Densitas (Al2.28O4.86Si.0.72, SiO2, dan C) Fasa Mullite Grup ruang (space group) : P b a m (55) dan Sistem kristal : Orthorombic Parameter kisi : a = 7.534(2) Å, b = 7.678(1) Å dan c = 2.8814(6) Å, = = = 90o, V = 166.69(9) Å3 dan = 2.391 gr.cm-3 Fasa Quartz Grup ruang (space group) : P 32 2 1 (154) dan Sistem kristal : Hexagonal Parameter kisi : a = 4.9332(9) Å, b = 4.9332(9) Å dan c = 5.419(1) Å, = = 90o dan = 120o, V = 114.21(5) Å3 dan = 3.846 gr.cm-3 Fasa Graphite
Tabel 2. Fraksi Massa Isolator Jenis Pasak No
Nama Senyawa
Fasa
Acuan
Fraksi Massa (%)
1.
Mullite
Quartz
3.
Graphite
C
ICDD96-9010160 ICDD96-9005022 ICDD96-9012231
40.05(5)
2.
Al2.28 O4.86 Si0.72 SiO2
49.86(4)
10.09(6)
Dari tabel 2 diatas pola difraksi sinar-x sampel Isolator jenis Pasak menunjukkan bahwa sampel keramik mengandung 40 % fasa Mullite, 50 % fasa Quartz dan 10 % fasa Graphite.[2], [5] 3.3. Mikrostruktur Jenis Pasak
SEM-EDX
Isolator
Analisis topografi permukaan isolator keramik jenis Pasak dapat dilihat seperti pada gambar 2 berikut ini :
Grup ruang (space group) : P 63 m c (186) dan Sistem kristal : Hexagonal Parameter kisi : a = 2.4548(9) Å, b = 2.4548(9) Å dan c = 6.702(3) Å, = = 90o dan = 120o, V = 69.99(6) Å3 dan = 2.279 gr.cm-3 Factor R wRp = Rp = χ2(chisquared)= 8.63 6.80 1.249
3.2 Analisis Komposisi Isolator Jenis Pasak Komposisi/Senyawa yang dikandung oleh Isolator jenis Pasak adalah : Mullite, Quartz, dan Graphite yaitu tiga puncak tertinggi dari pola difraksi yang dianalisis dengan program komputerisasi seperti yang di tunjukkan pada tabel 2 dalam bentuk persentase berat berikut ini:
Gambar 2. Topografi permukaan Isolator Jenis Pasak
Mikrosrtuktur Isolator jenis Pasak menunjukkan bahwa paduan ini di mungkinkan mengandung lebih dari satu fasa dan analisis elementer unsur Isolator jenis Pasak di lakukan dengan SEM-EDX diperoleh hubungan antara counting rate (cps) dengan Energy Range (keV) seperti pada gambar 3. berikut ini :
4
(O) 49,72 %, (Na) 0,54 %, Al 9,40 %, Silikon (Si) 27,41 %, (K) 2,15 %. SARAN 1. Untuk penelitian selanjutnya diharapkan dapat menambahkan jenis sampel Isolator keramik pada tegangan tinggi jaringan distribusi dan transmisi.
Gambar 3. Binding Enegy vs Cps Isolator Jenis Pasak Analisis kualitatif dan kuantitatif Isolator Jenis Pasak dilakukan dengan bantuan perangkat komputer, sehingga dapat diketahui identifikasi elementer unsur seperti pada tabel 3 berikut ini :
2. Untuk penelitian selanjutnya diharapkan menggunakan sampel Isolator keramik tanpa dihaluskan untuk melihat perbandingan dari hasil analisis foto SEMEDX (Scanning Electronic MicroscopeEnergy Dispersive X-Ray Spectroscopy). DAFTAR ACUAN [1].
Table 3. Analisis unsur isolator jenis Pasak ZAF Method Standardless Quantitative Analysis Fitting Coeficient : 0,2145 Element (keV) Mass% Error% Atom C K 0,277 10,78 0,28 16,59 O K 0,525 49,72 0,24 57,47 Na K 1,041 0,54 0,17 0,43 Al K 1,486 9,4 0,12 6,44 Si K 1,739 27,41 0,14 18,05 K K 3,312 2,15 0,17 1,02 Total 100 100
[2]. K 1,7476 55,01 0,5326 9,9038 29,868 2,9375
identifikasi elementer menunjukkan bahwa warna putih didominasi unsur Carbon (C) yang memiliki energi 0,277 keV pada orbital K, Oksigen (O) yang memiliki energi 0,525 keV pada orbital K, Natrium (Na) memiliki energi 1,041 keV pada orbital K, Al memiliki energi 1,486 keV pada orbital K, Silikon (Si) memilki energi 1,739 keV pada orbital K, dan K memiliki energi 3,312 keV pada orbital K. KESIMPULAN Dari data dan hasil tentang karakterisasi Isolator jenis Pasak dapat diambil kesimpulan: 1. Isolator keramik jenis Pasak memiliki unsur/senyawa Mullite (Al2,28, O4,86, Si0,72), Quartz/Silikon Oksida (SiO2) dan Graphite (C) 2. Struktur kristal dari Isolator keramik jenis Pasak adalah Orthorombik yang mengandung 40 % fasa; Hexagonal dengan 50 % fasa Quartz dan Hexagonal yang mengandung 10 % Fasa Graphite. 3. Elemen-elemen pembentuk pada Isolator jenis Pasak: karbon (C) 10,78 %, oksigen
[3].
[4].
[5].
[6].
[7]. [8].
[9].
BSN, SNI 04-0682-1989. Isolator Keramik Tumpu Tegangan Menengah Jenis Pin. Politeknik Negeri Semarang. Fayos J. 1999. Possible 3D Carbon Structures as Progerssive Intermediates in Graphite Diamond. Phase Transition Note : Mathematical Model, Journal of Solid State Chemistry. Wahyu. 2010. Karakteristik Bahan Baku Kaolin Untuk Bahan Pembuatan Badan Isolator Listrik Keramik Porselin Fuse Cut Out (FCO).. Jurnal sains. Teknolog Jakarta Habibi, Yusuf. 2009. Spektrometer Serapan Atom. Program Studi Ilmu Kimia. FMIPA.UI. Popovic J, dkk. 2007. Cobalt Incorporation in Mullite Sample. MUO. American Mineralogist. Setiabudy, Rudy. 2007. Teknik Pengujian Tegangan Tinggi. Universitas Indonesia. Jakarta Vlack, V. 1991. Ilmu dan Teknologi Bahan. Edisi Kelima. Erlangga. Jakarta Vlack, V. 2004. Elemen-elemen Ilmu dan Rekayasa Material. Edisi Keenam terjemahan Sriati Djaprie, Erlangga. Jakarta. http://www.scribd/ Isolator Keramik Tumpu Tegangan Menengah. 2013
5
