Bagaimana Satu Tetes Minyak Transformator Mengungkap Penuaan Isolasi dalam 60 Detik? Penginderaan Metanol Jejak dengan Sensor Raman Plasmonik

Chongqing, Tiongkok (Sumber)

Bagaimana jika satu tetes minyak transformator bisa memberi tahu kita saat yang tepat ketika isolasi mulai menua? Pertanyaan itu kini menjadi jauh lebih praktis. Sebuah tim peneliti telah mengembangkan metode penginderaan berbasis Raman yang mendeteksi metanol dalam jumlah sangat kecil di dalam minyak transformator dalam sekitar 60 detik, hanya dengan setetes minyak dan tanpa perlakuan awal di laboratorium.

Transformator daya memikul beban yang tak terlihat. Setelah bertahun-tahun terpapar panas, oksigen, kelembapan, dan tekanan listrik, isolasi kertas yang melilit kumparan perlahan memburuk. Rantai selulosa memendek, kekuatan mekanis melemah, dan risiko kegagalan tumbuh secara senyap. Metanol adalah salah satu petunjuk kimia paling awal dari kerusakan itu. Metanol terbentuk saat ikatan 1,4-β-glikosidik pada selulosa putus, sehingga kehadirannya di dalam minyak transformator bertindak seperti peringatan biokimia dini.

Sebagian besar laboratorium mendeteksi metanol menggunakan kromatografi gas ruang kepala atau spektrometri massa. Alat-alat ini memberikan akurasi dan selektivitas yang sangat baik. Alat-alat itu juga membutuhkan persiapan sampel yang cermat, kesetimbangan ruang kepala, ekstraksi, dan waktu yang tidak sedikit. Spektroskopi Raman menawarkan sidik jari molekuler langsung dari sampel cair. Upaya sebelumnya untuk mengukur metanol dalam minyak dengan Raman sering kali membutuhkan ekstraksi, oksidasi, derivatisasi, atau pemindahan fase untuk meningkatkan sensitivitas. Deteksi langsung metanol dalam jumlah sangat kecil di dalam matriks minyak yang kompleks masih menjadi tantangan.

Pendekatan baru ini mengubah keadaan. Tim peneliti membangun substrat silikon berlapis emas berstruktur hierarkis menggunakan fotolitografi, etsa plasma berpasangan induktif, etsa kimia berbantuan logam dengan bantuan perak, dan deposisi emas. Permukaan yang dihasilkan mengandung kawat nano silikon yang rapat di dalam alur mikroskopis, semuanya ditutupi oleh lapisan emas tipis. Arsitektur ini menjebak cahaya dan memusatkan medan plasmonik di sekitar kawat nano, sehingga sinyal Raman yang lemah mendapat dorongan kuat. Saat diuji dengan rhodamin 6G, sinyal karakteristik tetap terlihat pada konsentrasi serendah 10⁻¹³ mol/L. Tingkat sensitivitas itu luar biasa untuk perangkat portabel.

Dengan sistem Raman serat optik portabel yang beroperasi pada 638 nm, tim mengidentifikasi fitur spektral utama metanol di dekat 1034, 1453, 2850, dan 2945 cm⁻¹. Mereka memilih getaran regangan C-O pada 1034 cm⁻¹ sebagai puncak analitik karena spesifik untuk metanol dan terletak jauh dari derau hidrokarbon minyak transformator. Minyak transformator yang diperkaya metanol menunjukkan pita tersebut dengan jelas, sedangkan minyak kosong, silikon telanjang, film emas, dan substrat itu sendiri tidak. Ini mengonfirmasi bahwa sidik jari metanol tetap terlihat di dalam matriks minyak.

Kinerja penginderaan mengikuti pola yang bersih dan dapat diprediksi. Sampel minyak transformator diperkaya dengan metanol pada konsentrasi 10, 50, 100, 200, dan 400 μL/L. Setelah koreksi garis dasar dan pemasangan puncak Gaussian pada rentang 1020 hingga 1050 cm⁻¹, luas area pita 1034 cm⁻¹ yang terpasang meningkat secara linear seiring konsentrasi. Koefisien determinasi mencapai 0,9742. Tidak ada pengayaan adsorpsi, pemisahan minyak-gas, atau ekstraksi kimia yang digunakan. Hanya setetes minyak di atas substrat, akuisisi Raman selama 30 detik, dan seluruh pengukuran selesai dalam sekitar 60 detik.

Sensor ini juga menangani perubahan suhu dengan baik. Dari −80 hingga 50 °C, pita metanol karakteristik tetap dapat dibedakan dengan hanya sedikit pergeseran puncak. Regangan C-O pada 1034 cm⁻¹ bergeser sedikit ke arah biru saat suhu naik, sedangkan deformasi CH₃ pada 1453 cm⁻¹ bergeser sedikit ke arah merah. Informasi ini berguna untuk membangun model kuantitatif terkoreksi suhu di kondisi lapangan nyata, di mana suhu minyak transformator berubah seiring beban dan cuaca.

Pekerjaan ini membawa skrining cepat, di lokasi, dan non-destruktif untuk isolasi kertas-minyak transformator semakin dekat. Satu tetes minyak dapat dianalisis langsung di atas substrat penguat Raman, memberikan peringatan dini tanpa menunggu hasil laboratorium. Optimasi lebih lanjut pada geometri substrat dan keseragaman titik panas, bersama dengan validasi menggunakan transformator tua yang sebenarnya serta pemeriksaan silang dengan metode kromatografi, dapat mengubah bukti konsep ini menjadi pemantau kuasi-in-situ yang ringkas. Menggabungkan substrat plasmonik dengan probe serat optik dan spektrometer portabel pada akhirnya dapat membuat penilaian penuaan isolasi berbasis metanol menjadi bagian rutin dari perawatan jaringan listrik.

Metanol sedang berbicara. Sensor Raman ini mendengarkan. Bagi orang-orang yang menjaga jaringan listrik tetap berjalan, percakapan itu mungkin segera terjadi tepat di samping transformator, setetes demi setetes.