SISTEM PROTEKSI PETIR PEMBAHASAN 2.1. PENGERTIAN PETIR Dalam bahasa Inggris petir dikenal dengan kata lightning. 1. Lightning is the flash of light that accompanies an electric discharge in the atmosphere (or something resembling such a flash); can scintillate for a second or more. 2. Lightning is abrupt electric discharge from cloud to cloud or from cloud to earth accompanied by the emission of light.[1] Selain itu menurut Kamus Lengkap Bahasa Indonesia Modern, petir adalah bunyi yang keras sekali di udara, biasanya bersamasama dengan kilat, terjadi dari ledakan listrik; gledek; kilat; halilintar.[2] Dari Wikipedia Indonesia, ensiklopedia bebas berbahasa Indonesia petir atau halilintar merupakan gejala alam yang biasanya muncul pada musim hujan di mana di langit muncul kilatan cahaya sesaat yang menyilaukan yang beberapa saat kemudian disusul dengan suara menggelegar. Perbedaan waktu kemunculan ini disebabkan adanya perbedaan antara kecepatan suara dan kecepatan cahaya.[3] Jadi dapat disimpulkan bahwa petir adalah gejala alam yang bisa kita analogikan dengan sebuah kapasitor raksasa, di mana lempeng pertama adalah awan (bisa lempeng negatif atau lempeng positif) dan lempeng kedua adalah bumi (dianggap netral). 2.2. PROSES TERJADINYA PETIR Proses terjadinya sambaran petir dibagi menjadi empat tahap[4], yaitu A. PEMBENTUKAN AWAN PETIR Di lapisan atmosfer bertebaran gumpalangumpalan awan yang diantaranya ada awan yang bermuatan listrik. Awan bermuatan listrik tersebut dapat terbentuk jika pada suatu daerah terdapat unsurunsur yang diperlukan, diantaranya: udara yang lembab (konsentrasi air banyak), gerakan angin ke atas dan terdapat inti higroskopis. Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar 1. Terjadinya kelembaban karena adanya pengaruh sinar matahari yang menyebabkan terjadinya penguapan air di atas permukaan tanah (daerah laut, danau, dll). Sedangkan pergerakan udara ke atas disebabkan oleh perbedaan tekanan akibat daerah yang terkena panas matahari bertekanan lebih tinggi atau pengaruh angin. Disamping itu terdapat pula inti Higroskopis sebagai inti butirbutir air di awan akibat proses kondensasi.
Gambar 1. Pembentukan awan bermuatan Muatan awan bawah yang negatif akan menginduksikan permukaan tanah menjadi positif maka terbentuklah medan listrik antara awan dan tanah (permukaan bumi). Semakin besar muatan yang terdapat diawan semakin besar pula medan listrik yang terjadi dan bila kuat medan tersebut telah melebihi kuat medan tembus udara ke tanah maka akan terjadi pelepasan atau peluhan muatan listrik sesuai hukum kelistrikan, peristiwa ini disebut kilat atau petir (Sambaran Petir) . Petir terjadi akibat perpindahan muatan negatif (elektron) menuju ke muatan positif (proton). Para ilmuwan menduga lompatan bunga api listriknya sendiri terjadi, ada beberapa tahapan yang biasanya dilalui. Pertama adalah pemampatan muatan listrik pada awan bersangkutan. Umumnya, akan menumpuk di bagian paling atas awan adalah listrik muatan negatif; di bagian tengah adalah listrik bermuatan positif; sementara di bagian dasar adalah muatan negatif yang berbaur dengan muatan positif. Pada bagian bawah inilah petir biasa berlontaran. B. DOWNWARD LEADER Proses ionisasi pada awan petir tersebut akan menghasilkan medan listrik antara awan petir dan bumi. Apabila medan listrik yang dihasilkan mencapai level breakdown voltage kirakira 100 juta volt terhadap bumi, maka akan terjadi pelepasan elektron dari awan petir ke bumi (Downward Leader).
Pelepasan muatan elektron (Downward Leader) ini pada umumnya berupa lidah lidah petir yang bercahaya yang turun bertahap menuju permukaan bumi dengan kecepatan rambat ratarata 100 800 km/detik. Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar 2.
Gambar 2. Downward Leader C. UPWARD LEADER Terbentuknya Downward Leader dengan kecepatan yang tinggi ini menyebabkan naiknya medan listrik yang dihasilkan antara ujung lidah petir tersebut dengan permukaan bumi. Sehingga menyebabkan terbentuknya Upward Leader yang berasal dari puncakpuncak tertinggi dari permukaan bumi. Proses ini berlanjut hingga keduanya bertemu di suatu titik ketinggian tertentu, yang dikenal dengan Striking point. Dengan demikian maka lengkaplah sudah pembentukan kanal lonisasi antara awan petir dan bumi, dimana kanal ionisasi ini merupakan saluran udara yang memiliki konduktifitas yang tinggi bagi arus petir yang sesungguhnya.
Gambar 3. Upward Leader D. RETURN STROKE Return Stroke yang diistilahkan dengan sambaran balik merupakan arus petir yang sesungguhnya yang mengalir dari bumi menuju awan petir melalui kanal ionisasi yang sudah terbentuk di atas. Oleh karena kanal udara yang terionisasi ini memiliki konduktivitas yang tinggi, maka kecepatan rambat arus petir ini jauh lebih cepat dibandingkan dengan kecepatan rambat dari step leader, yaitu ± 20.000 110.000 km/detik.
Gambar 4. Return Stroke Petir terjadi karena ada perbedaan potensial antara awan dan bumi. Proses terjadinya muatan pada awan karena dia bergerak terus menerus secara teratur, dan selama pergerakannya dia akan berinteraksi dengan awan lainnya sehingga muatan negatif akan berkumpul pada salah satu sisi (atas atau bawah), sedangkan muatan positif berkumpul pada sisi sebaliknya. Jika perbedaan potensial antara awan dan bumi cukup besar, maka akan terjadi pembuangan muatan negatif (elektron) dari awan ke bumi atau sebaliknya untuk mencapai kesetimbangan. Pada proses pembuangan muatan ini, media yang dilalui elektron adalah udara. Pada saat elektron mampu menembus ambang batas isolasi udara inilah terjadi ledakan suara. Petir lebih sering terjadi pada musim hujan, karena pada keadaan tersebut udara mengandung kadar air yang lebih tinggi sehingga daya isolasinya turun dan arus lebih mudah mengalir. Karena ada awan bermuatan negatif dan awan bermuatan positif, maka petir juga bisa terjadi
antar awan yang berbeda muatan. 2.3 JENISJENIS PETIR Jenisjenis petir dapat digolongkan atas interaksi antara ionion yang bermuatan negatif dan positif yaitu sebagai berikut: o Awan dengan awan Petir antar awan terjadi antara dua buah awan atau lebih yang disebabkan karena interaksi ionion bermuatan negatif dengan ionion yang bermuatan positif. o Dalam awan itu sendiri Hal ini bisa terjadi karena pada suatu awan dapat dibagi atas tiga ruang. Ruang pertama merupakan kumpulan ionion yang bermuatan listrik negatif. Ruang ini terdapat pada dasar atau bagian atas dari awan. Ruang kedua , merupakan ruangan yang diisi oleh ionion yang bermuatan listrik positif. Ruang ini bisa didasar atau bagian atas dari awan. Sedangkan ruang ketiga merupakan ruangan antara ruang ionion yang bermuatan listrik negatif dan ionion yang bermuatan listrik positif. Pada ruang ini terjadi tubrukan antara listrik yang berbeda muatan sehingga terjadi percikan api (petir). Sering kali percikan api yang terjadi di dalam suatu awan tidak terlihat oleh mata telanjang. Hal ini karena percikan api yang terjadi antara ion yang berbeda muatan terlalu kecil (hanya secercah cahaya). o Awan dengan tanah (bumi) Petir yang terjadi antara awan dengan bumi merupakan petir yang bisa diamati langsung dengan mata telanjang dan merupakan jenis petir yang sering menyebabkan kerusakan baik pada manusia maupun peralatan elektronik. Prinsip atau proses terjadinya petir ini hampir sama dengan jenis petir lainnya, yaitu berupa interaksi antara ionion yang bermuatan listrik yang berbeda. Pada jenis petir ini, ionion yang bermuatan listrik positif berasal dari bumi dan ion yang bermuatan listrik negatif berasal dari awan, atau sebaliknya. Kebanyakan sambaran petir awanbumi membawa energi negatif ke permukaan tanah, namun ada pula diantaranya yang membawa energi positif. Sambaran energi positif lebih jarang terjadi dan itupun hanya di kawasan yang lebih tinggi dari awan petirnya. Banyak meteorologis meyakini bahwa sambaran energi positif ini menandakan adanya badai yang kadang mirip tornado. 2.4 Akibat Atau Bahaya Yang Ditimbulkan Oleh Petir Menurut Ketua Progam Studi Meteorologi Fakultas Ilmu Kebumian dan Teknologi Mineral Institut Teknologi Bandung, Dr. Bayong Tjasyono, secara meteorologis, periode petir ini terjadi antara bulan desember hingga bulan februari, periode ini adalah periode konveksi untuk bumi selatan karena matahari berada di sebelah selatan. (angkasa No. 2 November 1999 tahun X).[5] Secara umum, kondisi meteorologis Indonesia memang sangat ideal bagi terciptanya petir karena letaknya berada di khatulistiwa yang panas dan lembab, sehingga cukup ideal sebagai daerah yang memiliki beberapa syarat untuk menimbulkan potensi terjadinya petir, seperti suhu udara naik, kelembapan maupun adanya partikelpartikel bebas. Sebagai negara maritim, ketiga hal tersebut terpenuhi di Indonesia. Karena kondisi yang seperti itu pula maka aktivitas petir di Indonesia tergolong
tinggi bahkan bisa dikategorikan tertinggi di dunia (100 – 200 hari pertahun.bahkan kerapatan petir petir di Indonesia juga sangat besar yaitu 12 km2 pertahun, artinya setiap luas area 1 km2 memiliki potensi menerima sambaran petir sebanyaj 12 kali tiap tahunnya sehingga Indonesia dikenal dengan sarang petir dunia . Karena kondisi inilah, petir seringkali menyebabkan kerugian dan kerusakan baik kematian pada nyawa manusia ataupun kerugian materi (kebakaran akibat petir, kerusakan alatalat elektronik dan lainlain). Untuk menanggulangi kerusakan yang diakibatkan oleh fenomena alam yang sangat menakjubkan ini maka diperlukan sebuah alat yang bisa mengurangi, menangkal atau menghilangkan sama sekali efek atau akibat dari petir. Alat tersebut dikenal dengan sistem proteksi petir. Penggunaan sistem proteksi disesuikan dengan kondisi geografis dan meteorologis serta jenis alat yang memungkinkan terkena sambaran petir tinggi. Urutan penggunaan sistem proteksi petir adalah sebagai berikut: 1. Tempat atau daerah yang kemungkinan memiliki intensitas sambaran petir cukup rapat dan sering pertahunnya mendapat prioritas pertama untuk penanggulangannya. 2. Sedangkan tempattempat yang relatif kurang bahaya petirnya mendapat prioritas ke dua dengan pemasangan protektor yang lebih sederhana. 3. Lokasi yang mempunyai nilai bisnis tinggi (industri kimia, pemancar TV, Telkom, gedung perkantoran dengan sistem perkantoran dan industri strategis seperti : hankam, pelabuhan udara, dll.), memerlukan proteksi yang dilakukan seoptimal mungkin. 4. Sedangkan lokasi dengan nilai bisnis rendah mungkin makin sederhana sistem protektor yang akan dipasang. Pada dasarnya pemakaian penangkal petir sudah dikenal sejak dulu untuk melindungi bangunan atau instalasi terhadap sambaran petir. Namun alat pelindung ini hanya dapat digunakan sebagai perlindungan gedung itu sendiri terhadap bahaya kebakaran atau kehancuran, sedangkan induksi tegangan lebih atau arus lebih yang diakibatkan masih belum terserap sepenuhnya oleh penangkal petir tadi. Induksi inilah yang bahayanya cukup besar terhadap peralatan elektronik yang cukup sensitif.. Dengan berkembangnya teknologi eletronik yang sangat pesat hingga kini, maka pelepasan muatan petir dapat merusak jaringan listrik dan peralatan elektronik yang sangat sensitif. Sambaran petir pada tempat yang jauh sudah mampu merusak sistem elektronika dan peralatannya, seperti instalasi komputer, perangkat telekomunikasi seperti PABX, sistem kontrol, alatalat pemancar dan instrument serta peralatan elektronik sensitif lainnya. Untuk mengatasi masalah ini maka perlindungan yang sesuai harus diberikan dan dipasang pada peralatan atau instalasi terhadap bahaya sambaran petir langsung maupun induksinya. Jenis Kerusakan Yang Diakibatkan Petir ∙ Kerusakan Akibat Sambaran Langsung Kerusakan ini biasanya langsung mudah diketahui sebabnya, karena petir menyambar sebuah gedung dan sekaligus peralatan litrik/elektronik yang ada didalam ikut rusak. 1. terhadap manusia. Apabila aliran listrik akibat sambaran petir mengalir
melalui tubuh manusia maka organorgan tubuh yang dilalui oelh aliran tersebut akan mengalami kejutan. Arus lisrik dapat menyebabkan berhentinya kerja jantung. Selain itu efek rangsangngan panas akibat arus petir pada organ tubuh dapat juga melumpuhkan jaringanjaringan otot bahkan dapat menghanguskan tubuh manusia. 2. terhadap bangunan. Apabila aliran listrik akibat sambaran petir mengalir melalui gedung, yang mana besarnya dapat mencapai 200 kA, maka kerusakan yang terjadi adalah kerusakan thermis dan mekani. Bahan bangunan yang paling parah apabila terkena sambaran petir adalah yang bersifat kering, isolasi maupun semiisolasi. ∙ Kerusakan Akibat Sambaran Tidak Langsung Kerusakan ini sulit diidentifikasi dengan jelas karena petir yang menyambar pada satu titik lokasi sehingga hantaran induksi melalui aliran listrik/kabel PLN, telekomunikasi, pipa pam dan peralatan besi lainnya dapat mencapai 1 km dari tempat petir tadi terjadi. Sehingga tanpa disadari dengan tibatiba peralatan komputer, pemancar TV, radio, PABX terbakar tanpa sebab yang jelas. Contoh : Petir menyambar tiang PLN lokasi A sehingga tegangan/arusnya mencapai dan merusak peralatan rumah sakit dan peralatan telekomunikasi di lokasi B karena jarak tiang PLN (A) ke rumah sakit dan peralatan telekomunikasi tersebut (B) adalah kurang atau sama dengan 1 km. 2.5 PARAMETER PETIR Setiap sambaran petir dapat diuraikan secara matematis kelistrikan. Hal tersebut diperlukan guna mengetahui sejauh mana akibat pada obyek sambaran yang ditimbulkan masingmasing parameter tersebut dan untuk menentukan mutu pengaman yang harus didesain. Berikut ini akan dijelaskan tentang jenisjenis parameter petir. Tabel 1. Jenisjenis parameter petir[6]
1. Arus Petir Maksimum yaitu harga maksimum/puncak impuls petir (Im). Arus Petir maksimum (Im) menentukan tinggi tegangan jatuh (Um) pada tahanan pentanahan obyek yang disambar, Rumus: Um=Im x R (Volt) Dimana: Im = Arus petir puncak atau maksimum;
R = Tahanan tanah Akibat dari parameter ini akan menimbulkan tegangan jatuh dan perbedaan tegangannya dapat merusak perangkat. Arus puncak tersebut dapat juga digunakan untuk menentukan tingkat proteksi yang akan digunakan atau dipilih dan dipergunakan dalam perhitungan Jarijari Bola Gelinding. Salah satu contoh kasus yang diakibatkan oleh parameter ini adalah peristiwa sambaran Petir STO Simpang Lima Semarang 25 Desember 1995 jam 16.00 WIB. 2. Muatan Petir atau muatan total (Q) Muatan (Q) menentukan jumlah Energi (W) yang terwujud pada titik sambaran dan setiap tempat dalam busur listrik yang menembus isolasi. Rumus: Q = ∫ i . dt W= Q.Va,k Dimana; i = Arus petir Va,k = Tegangan jatuh anoda katoda, Pengaruh Q ini adalah dapat melelehkan logam dan dapat menimbulkan bunga api. Energi yang terjadi pada kaki busur listrik titik sambaran petir berbanding lurus antara muatan petir (Q) dan tegangan jatuh (V). Parameter ini berguna untuk menentukan dimensi penangkal petir. Salah satu contoh kasus akibat parameter tersebut adalah kasus kilang minyak Cilacap yang membakar panel listrik dan kabel telepon. 3. Energi Spesifikasi Arus Petir atau kuadrat impulse dari arus (E). Energi (E) menentukan pemanasan serta gaya impulse,Rumus: E = ∫i2 dt, Dimana; i = Arus petir E = Energi yang timbul t = waktu Pengaruh parameter ini adalah dapat mengakibatkan efek mekanik pada sambaran dan menimbulkan kenaikan temperatur yang mengakibatkan pemanasan. Parameter ini digunakan untuk menentukan dimensi penangkal petir. Akibat sambaran ini dapat mematahkan metal, meratakan tembok, dsb. Contoh kasusnya yaitu peristiwa 8 Juni 1979 di Stasiun Bumi Cibinong, menghancurkan head penangkal petir diatas tiang antenna tingi 90 m, dan yang meratakan tembok di STO Ketanggungan pada tanggal 12 Maret 1996.
Gambar 5. Tembok Yang Retak Akibat Tersambar Petir 4. Kecuraman Maksimum Dari Arus Petir Petir juga menimbulkan tegangan induksi (U). Rumus: U = L di/dt (Volt) Dimana; L = Induktansi metal/kabel (henry) di/dt = laju kenaikan arus terhadap waktu/kecuraman Arus Petir.
Pengaruh Parameter ini adalah dapat menyebabkan adanya tegangan drop induktif pada konduktor yang dilalui arus (ada sifat induktif) serta adanya tegangan induktif pada rangkaian loop karena koupling magnetik. Parameter ini digunakan berkaitan dengan penentuan dimensi konduktor Pengaman Petir. Akibat dari parameter ini menimbulkan tegangan induksi dan merusak perangkat, sebagai contoh adalah peristiwa tanggal 7 April 1995 di STO Jember, petir mengakibatkan adanya loop di STDI. 2.6 SISTEM PROTEKSI PETIR Sesuai dengan ketentuan International Electrotechnical Commission TC 81 yang disahkan bulan Agustus 1989 maka sistem penangkal petir yang sempurna harus terdiri atas 3 bagian[7]: Proteksi External Yang disebut Proteksi External adalah instalasi dan alatalat di luar sebuah struktur untuk meredam dan menghantar arus petir ke sistem pembumian atau berfungsi sebagai ujung tombak penangkap muatan listrik/arus petir di tempat tertinggi. Instalasi penangkal petir eksternal meliputi : F Pengadaan susunan finial penangkal petir Susunan finial penangkal petir dapat berupa Finial Batang Tegak; Susunan Finial Mendatar dan Finialfinial lain dengan memanfaatkan benda logam yang terpasang di atas bangunan seperti atap logam, menara logam, dll. Tingkat perlindungan yang diinginkan menentukan susunan dan jumlah finial, dimensi dan jenis bahan finial serta konstruksinya dan semua ini secara besaran arus petir ditentukan oleh tingginya Arus Puncak Petir (I) dan Muatan Arus Petir (Q). Finial batang tegak biasa digunakan untuk bangunan atap runcing, menara telekomunikasi, dll. Satu hal yang perlu dipertimbangkan untuk bangunan tinggi seperti menara komunikasi adalah adanya kemungkinan kejadian sambaran samping, yang berarti harus dapat diantisipasi bahwa petir dapat menyambar mengenai antenaantena dari samping. Antena yang tersambar petir akan dialiri arus petir dan arus petir yang mengalir dapat diperkirakan besarnya berdasar sudut lindung finial terpasang, yang dengan demikian akan dapat diperkirakan pula resiko yang timbul. Finial mendatar biasa digunakan pada bangunan atap datar dengan menggunakan penghantar yang dipasang mendatar, dengan menggunakan atap bangunan atau atap tanki suatu kilang minyak. Konsepsi yang diterapkan adalah konsepsi sangkar Faraday. Hal yang perlu diperhatikan jika atap tanki yang berisi bahan mudah meledak akan digunakan sebagai finial adalah ketentuan bahwa atap tanki tidak ada kemungkinan gas buang atau gas yang keluar dan pada atap tanki tidak ada kemungkinan ceceran bahan mudah meledak, atap tanki tidak memiliki lubang lubang atau hubungan pelatpelat, atap benarbenar dapat dijamin konduksinya yang baik, dan hal yang paling penting bahwa kenaikan temperatur pelat atap karena tersambar petir tidak mencapai temperatur nyala dari bahan bakar isi tangki. F Pengadaan sistem penyaluran arus petir Arus sambaran petir yang mengenai finial harus secara cepat dialirkan ke tanah dengan pengadaan sistem penyaluran arus petir melalui jalan terpendek. Dimensi
atau luas penampang, jumlah dan rute penghantar ditentukan oleh kuadrat arus impuls sesuai dengan tingkat perlindungan yang ditentukan serta tingginya arus puncak petir. Resiko bahaya yang dapat ditimbulkan dari penyaluran arus petir ini terutama adalah adanya induksi elektromagnetik pada peralatan elektronik di dalam bangunan. F Pembuatan sistem pentanahan Sistem pentanahan berfungsi sebagai sarana mengalirkan arus petir yang menyebar ke segala arah ke dalam tanah. Hal yang perlu diperhatikan dalam perancangan sistem pentanahan adalah tidak timbulnya bahaya tegangan langkah dan tegangan sentuh. Kriteria yang dituju dalam pembuatan sistem pentanahan adalah bukannya rendahnya harga tahanan tanah akan tetapi dapat dihindarinya bahaya seperti tersebut di depan. Selain itu sistem pentanahan sangat menentukan rancangan sistem penangkal petir internal, semakin tinggi harga tahanan pentanahan akan semakin tinggi pula tegangan pada penyama potensial (potential equalizing bonding) sehingga upaya perlindungan internalnya akan lebih berat. 2. Proteksi Pembumian/Pentanahan Bagian terpenting dalam instalasi sistem penangkal petir adalah sistem pembumiannya. Kesulitan pada sistem pembumian biasanya karena berbagai macam jenis tanah. Hal ini dapat diatasi dengan menghubungkan semua metal (Equipotensialisasi) dengan e lektrode tunggal yang ke bumi. Hal ini sesuai dengan IEC TC 81. 3. Proteksi Internal Implementasi konsepsi penangkal petir internal pada dasarnya adalah upaya menghindari terjadinya beda potensial pada semua titik di instalasi atau peralatan yang diproteksi di dalam bangunan. Langkahlangkah yang dapat dilakukan merupakan integrasi dari sarana penyama potensial, pemasangan arestor tegangan dan arus, perisaian dan filter. Biaya investasi yang diperlukan untuk pengadaan penangkal petir internal adalah sangat besar karena berbagai mekanisme dapat menyebabkan terjadinya beda potensial di dalam peralatan yang diproteksi yang dapat berupa propagasi tegangan lebih melalui saluran telepon, antene, supply daya listrik, pentanahan dan berbagai induksi elektromagnetik. Upaya minimisasi biaya dapat dilakukan dengan langkah pendefinisian Zoning Area proteksi dan terutama dengan upaya mengurangi menjadi sekecil mungkin semua arus atau tegangan impuls petir yang menjalar ke dalam bangunan dan instalasi. Pengalaman menunjukkan bahwa dengan upaya maksimal dalam penyempurnaan penangkal petir eksternal dan penerapan perisaian akan dapat memperkecil biaya penangkal petir internal. Khusus pengadaan sistem proteksi petir untuk instalasi eksplosif, mudah meledak, terdapat tiga utama yang harus diperhatikan sebagai berikut: a. Aspek pengaruh luar, yang dalam hal ini adalah aspek kejadian sambaran petir. Upaya pengamanan yang harus dilakukan adalah mencegah terjadinya percikan busur listrik, di dekat atap bangunan, di dalam bangunan yang dilindungi dan di sistem pentanahannya. Cara yang dapat diterapkan adalah
pembenaran susunan finial, penyaluran arus petir dan pentanahan dan penghubungannya serta mencegah terjadinya mekanisme "Faraday Hole". b. Aspek operasional, yang dalam hal ini menyangkut masalah mixture bahan bahan gas yang sangat menentukan temperatur, tegangan dan energi penyalaannya. c. Aspek Kemampuan Internal, yang dalam hal ini upaya meningkatkan kemampuan internal instalasi, misalnya tanki, yang memiliki ketahanan lebih tinggi dan mampu mengeliminasi akibat yang terjadi jika ternyata ada kegagalan dari upaya dua aspek di atas.
lightning arrester 5/19/2009 Hanif Guntoro 1 komentar
Pusat pembangkit listrik umumnya dihubungkan dengan saluran transmisi udara yang menyalurkan tenaga listrik ke pusat-pusat konsumsi tenaga listrik, yaitu gardu-gardu induk (GI), seperti telah dijelaskan pada artikel sebelumnya di sini dan sini. Sedangkan saluran transmisi udara ini rawan terhadap sambaran petir yang menghasilkan gelombang berjalan (surja tegangan) yang dapat masuk ke pusat pembangkit listrik. Oleh karena itu, dalam pusat listrik harus ada lightning arrester (penangkal petir) yang berfungsi menangkal gelombang berjalan dari petir yang akan masuk ke instalasi pusat pembangkit listrik. Gelombang berjalan juga dapat berasal dari pembukaan dan penutupan pemutus tenaga atau circuit breaker (switching). Pada sistem Tegangan Ekstra Tinggi (TET) yang besarnya di atas 350 kV, surja tegangan yang disebabkan oleh switching lebih besar dari pada surja petir. Saluran udara yang keluar dari pusat pembangkit listrik merupakan bagian instalasi pusat pembangkit listrik yang paling rawan sambaran petir dan karenanya harus diberi lightning arrester. Selain itu, lightning arrester harus berada di depan setiap transformator dan harus terletak sedekat mungkin dengan transformator. Hal ini perlu karena pada petir yang merupakan gelombang berjalan menuju ke transformator akan melihat transformator sebagai suatu ujung terbuka (karena transformator mempunyai isolasi terhadap bumi/tanah) sehingga gelombang pantulannya akan saling memperkuat dengan gelombang yang datang. Berarti transformator dapat mengalami tegangan surja dua kali besarnya tegangan gelombang surja yang datang. Untuk mencegah terjadinya hal ini, lightning arrester harus dipasang sedekat mungkin dengan transformator. Lightning arrester bekerja pada tegangan tertentu di atas tegangan operasi untuk membuang muatan listrik dari surja petir dan berhenti beroperasi pada tegangan tertentu di atas tegangan operasi agar tidak terjadi arus pada tegangan operasi, dan perbandingan dua tegangan ini disebut rasio proteksi arrester. Tingkat isolasi bahan arrester harus berada di bawah tingkat isolasi bahan transformator agar apabila sampai terjadi flashover, maka flashover diharapkan terjadi pada arrester dan tidak pada transformator. Transformator merupakan bagian instalasi pusat listrik yang paling mahal dan rawan terhadap sambaran petir, selain itu jika sampai terjadi kerusakan transformator, maka daya dari pusat listrik tidak dapat sepenuhnya disalurkan dan
biayanya mahal serta waktu untuk perbaikan relatif lama. Salah satu perkembangan dari lightning arrester adalah penggunaan oksida seng Zn02 sebagai bahan yang menjadi katup atau valve arrester. Dalam menentukan rating arus arrester, sebaiknya dipelajari statistik petir setempat. Misalnya apabila statistik menunjukkan distribusi probabilitas petir yang terbesar adalah petir 15 kilo Ampere (kA), maka rating arrester diambil 15 kilo Ampere. Gambar 1 akan menunjukkan konstruksi sebuah lightning arrester buatan Westinghouse yang menggunakan celah udara (air gap) di bagian atas.
Gambar 1. Konstruksi sebuah lightning arrester buatan Westinghouse yang menggunakan celah udara (air gap) di bagian atas Arrester ini bisa dipasang pada bangunan gedung atau di dekat alat yang perlu dilindungi misalnya pada komputer. Alat yang dilindungi perlu tidak saja dilindungi terhadap sambaran petir secara langsung, tetapi juga terhadap sambaran tidak langsung yang menimbulkan induksi.
Gambar 2. Lightning Arrester Tegangan Rendah Untuk Dipasang di Luar Gedung
Gambar 3. Lightning Arrester Tegangan Rendah Untuk Dipasang didalam Gedung
Proteksi Sistem Tenaga Listrik dan Peralatannya ( Part 1) Proteksi terhadap suatu sistem tenaga listrik adalah sistem pengaman yang di lakukan terhadap peralatan-peralatan listrik, yang terpasang pada sistem tenaga listrik tersebut. Misalnya Generator, Transformator, Jaringan Transmisi/distribusi dan lain-lain terhadap kondisi abnormal dari sistem itu sendiri. Yang di maksud dengan kondisi abnormal tersebut antara lain dapat berupa : a. Hubung singkat b. Tegangan lebih/kurang c. Beban lebih d. Frekwensi sistem turun/naik e. Dll -
Adapun fungsi dari sistem proteksi adalah : Untuk menghindari ataupun untuk mengurangi keruasakan peralatan listrik akibat adanya gangguan (kondisi abnormal) semakin cepat reaksi perangkat proteksi yang di gunakan, maka akan semakin sedikitlah pengaruh gangguan terhadap kemungkinan kerusakan alat.
-
-
Untuk mempercepat melokaliser luas/zone daerah yang terganggu sehingga menjadi sekecil mungkin Untuk dapat memberikan pelayanan listrik dengan keandalan yang tinggi kepada konsumen, dan juga mutu listriknya baik Untuk mengamankan manusia (terutama) terhadap bahaya yang ditimbulkan oleh listrik Agar sistem proteksi dapa dikatakan baik dan benar (dapat bereaksi dengan cepat, tepat dan murah), maka di adakan pemilihan dengan seksama dengan memperhatikan faktor-faktor sebagai berikut : Macam saluran yang di amankan Pentingannya saluran yang dilindungi Kemungkinan banyaknya terjadi gangguan Tekno-ekonomis sistem yang digunakan Peralatan utama yang dipergunakan untuk mendeteksi dan memerintahkan peralatan proteksi bekerja adalah relay.
1.1. Syarat-syarat relay pengaman Syarat-syarat agar peralatan relay pengaman dapat dikatakan bekerja dengan baik dan benar terutama dalam melakukan tugasnya sebagai pengamanan terhadap sistem, yaitu: a) Cepat bereaksi Relay harus cepat bereaksi/bekerja bila sistem mengalami gangguan atau kerja abnormal. Kecepatan bereaksi dari relay adalah saat relay mulai mulai merasakan adanya gangguan sampai dengan pelaksanaan pelepasan circuit breaker (C.B) karena komando dari relay tersebut. Waktu bereaksi ini harus di usahakan secepat mungkin sehingga dapat menghindarkan kerusakan pada alat-alat serta membatasi daerah yang mengalami gangguan/kerja abnormal. Mengingat suatu sistem tenaga mempunyai batas-batas stabilitas serta kadang-kadang gangguan sistem gangguan bersifat sementara, maka relay yang semestinya bereaksi denga cepat kerjanya perlu di perlambat (time delay), seperti yang ditunjukan persamaan berikut :
b) Selektive Yang di maksud dengan selektif disini adalah kecermatan pemilihan dalam mengadakan pengamanan, dimana hal ini menyangkut koordinasi pengaman dari sistem secara keseluruhan. Untuk mendapatkan keandalan yang lebih tinggi, maka relay pengaman harus mempunyai kemampuan selektive yang baik. Dengan demikian segala tindakannya akan tepat dan akibatnya gangguan dapat dieliminir menjadi sekecil mungkin. Contoh Peralatan – peralatan pengaman/pemutus = Pemutus (CB) Sumber teganggan DC Current transformtor lay otensio transformator
Pada gambar 1 di atas menunjukkan peralatan yang digunakan sebagai pengaman sistem dan terkait dengan komponen 1 s/d 5. Relay proteksi pengaman sistem tenaga listrik antara lain : Penggunaan Relay dalam melayani pengamanan system terutama terhadap kondisi abnormal yang terjadi diantaranya A. Pengamanan terhadap sambaran petir - Kawat tanah - Arrester B. Pengamanan terhadap arus/teganggan lebih - Relai - Pemutus (circuit breaker) Hal – hal yang menyebabkan CB gagal * Kerusakan Relay/Relay tidak bekerja * Kerusakan pada PT * Terganggunya sumber (DC) * Terganggu Relay
Dalam sistem tenaga listrik seperti gambar 2 diatas,apabila terjadi gangguan pada titik K,maka hanya C.B.6 saja yang boleh bekerja ,sedangkan untuk C.B.1 , C.B.2 dan C.B.-C.B. yang lain tidak boleh bekerja.
ka/sensitive
dal/reliability
Relay harus dapat bekerja dengan kepekaan yang tinggi,artinya harus cukup sensitive terhadap gangguan di daerahnya meskipun gangguan tersebut minimum,selanjutnya memberikan jawaban / response.
Keandalan relay dihitung dengan jumlah relay bekerja/mengamankan daerahnya terhadap jumlah gangguan yang terjadi.Keandalan relay dikatakan cukup baik bila mempunyai harga : 9099%..Misalnya,dalam sutu tahun terjadi gangguan sebanyak 25 x dan relay misal dapat bekerja dengan sempurna sebanyak 23 x ,maka keandalan relay 23 / 25 x 100 % = 92 % Keandalan dapat dibagi 2 : Dependability : relay harus dapat diandalkan setiap saat Security : tidak boleh salah kerja /tidak boleh bekerja yang bukan seharusnya bekerja. derhana / simplicity Makin sederhana sistem relay semakin baik,mengingat setiap peralatan / komponen relay memungkinkan mengalami kerusakan.Jadi sederhana maksudnya kemungkinan terjadinya kerusakan kecil. urah / economy Relay sebaiknya yang murah,tanpa meninggalkan persyaratan-persyaratan yang telah disebutkan diatas. 1.2. Klasifikasi Relay Dari beberapa macam relay yang ada,dapatlah kita membedakannya menurut klasifikasinya sebagai berikut : 1.2.1. Berdasarkan prinsip kerjanya : Relay elektromagnetis.tarikan dan induksi Relay termis Relay elektronis 1.2.2. Berdasarkan konstruksinya Tipe angker tarikan Tipe batang seimbang Tipe cakram induksi Tipe kap induksi Tipe kumparan yang bergerak Tipe besi yang bergerak Dan lain-lain 1.2.3. Berdasarkan basaran yang diukur Relay tegangan Relay arus Relay impedansi Relay frekuensi Dan lain-lain. Selain itu pada relay-relay diatas masih juga dapat dibedakan seperti berikut Over , yaitu akan bekerja bila besaran/ukuran yang telah ditentukan dilampaui Under ,relay akan bekerja bila berada sebelum / dibawah harga besaran yang tekah ditentukan Directional,bekerjanya relay ditentukan oleh arah aliran tenaga listriknya 1.2.4. Berdasarkan cara menghubungkan sensing element Primary relay Primary relay ; sensing element berhubungan langsung dengan sirkit yang di amankan Secondary relay ; sensing element mendapatkan arus dan atau tegangan dari dari trafo arus dan tegangan secara tidak langsung
1.2.5. Berdasarkan cara control element Direct acting ; control element bekerja langsung memutuskan aliran/hubungan Indirect acting ; control element hanya menutup suatu kontak , sedangkan suatu perlatan lain yang memutuskan rangkaian/aliran Catatan : Pada indirect acting selalu di pakai sumber D.C. ,mengingat ; Kentungannya : a. Keamanan lebih terjamin b. Pada waktu memeriksa atau reparasi tidak perlu memutuskan aliran utama c. Terpisah secara elektris dari tegangan kerja sistem d. Tak tegantung dari besarnya tegangan sistem yang di amankan Kerugiannya : a. Di bandingkan dengan direct acting , maka kontruksinya lebih kompleks b. Untuk tegangan rendah kurang ekonomis 1.2.6. Berdasarkan macam tugas /kegunaannya Main relay ; sebagai element utama didalam sistem pengaman, jadi berhubungsan langsung dengan besaran-besaran lisdtrik yang di ukur ( arus, tegangan dan lain-lain ) Supplementary relay ; sebagai relay pembantu, misal memperbanyak kontak, menjalankan sinyal dan lain-lain 1.2.7. Berdasarksan karakteristiknya Inverse Definite Time relay, yakni relay yang bekerjanya dengan kelambatan waktu. U tuk dapat kita bedakan 2 macam yaitu yang dapat di atur ( regulable time delay ) waktunya dan tidak dapat di atur waktunya ( non-regulable time delay ) 1.2.8. Berdasarkan macam kontaktornya Normally open, kontak dalam keadaan terbuka , bila lilitan pada inti tidak mendapatkan tenaga ( de-energized ) Normally closed, tertutup bila de energized
SISTEM PROTEKSI TENAGA LISTRIK Fungsi Sistem Proteksi. Pada dasarnya semua konstruksi jaringan distribusi tidak ada yang benar-benar aman dari gangguan yang datangnya dari dalam sistem itu sendiri maupun dari dari luar sistem. Gangguan tersebut merupakan potensi yang merugikan ditinjau dari beberapa hal, maka perlunya dipasang sistem proteksi yang berfungsi sebagai berikut:
Mencegah atau membatasi kerusakan pada jaringan beserta peralatannya Menjaga keselamatan umum
Meningkatkan kontinuitas pelayanan
Pada sistem distribusi 20 kV hal yang terpenting pada sistem proteksi selain alat proteksi itu sendiri, sistem pentanahan juga merupakan bagian yang tidak terpisahkan dalam sistem proteksi itu sendiri. Misalnya ada gangguan fasa yang bocor ke tanah, maka bila sistem pentanahan tidak sesuai dengan sistem distribusi yang diproteksi, maka alat proteksi tidak akan bekerja dengan benar, sehingga dapat merusak peralatan jaringan maupun membahayakan keselamatan manusia. Sistem pentanahan pada kenyataan di PLN terdapat beberapa pola, sehingga sistem proteksinya juga berbeda-beda. Pada perencanaan konstruksi jaringan distribusi untuk menentukan komponen jaringan, misalnya penghantar, harus dipertimbangkan besarnya arus gangguan hubung singkat ketanah dan selanjutnya sistem proteksi yang sesuai, sehingga tujuan membangun konstruksi jaringan distribusi yang aman dan menguntungkan dapat tercapai.
Prinsip Kerja Sistem Proteksi Melakukan koordinasi dengan tegangan sistem tegangan tinggi seperti:
Gardu Induk (GI) Transmisi Pembangkitan Mengamankan peralatan dari kerusakan dan gangguan. Menghindari kemungkinan terjadinya kecelakaan. Melokalisir gangguan. Secepatnya membebaskan pemadaman karena gangguan (manuver). Mengurangi frekwensi pemutusan.
Syarat-Syarat Sistem Proteksi
Peka (sensitif). Cermat (selektivitas). Andal (reliability). Cepat.
PENYEBAB GANGGUAN DAN PERELATAN PROTEKSINYA Gangguan Pada Pembangkit / Generator.
Satu fasa ke tanah Dua fasa ke tanah Tiga fasa ke tanah
Dapat mengakibatkan teganggan dan arus yang mengalir pada setiap fasanya menjadi tidak seimbang, sehingga gangguan ini dapat merusak sistem dan juga dapat menyebabkan kerusakan pada Generator dan motor pengerak, sehingga dapat menyebabkan pemadaman aliran listrik. Oleh kerena itu dibutuhkan alat proteksi yang andal untuk mengamankan atau melindungi peralatan-peralatan yang ada di pembangkit energi listrik. mempercepat atau melokalisir apabila terjadi
gangguan. Proteksi yang digunakan adalah: Pemutus Tenaga / Circuit Breaker ( PMT/CB)Pemutus Daya (PMT) atau Circuit breaker (CB) adalah peralatan pada sistem tenaga listrik yang berfungsi untuk memutuskan hubungan antara sisi sumber tenaga listrik dan sisi beban yang dapat bekerja secara otomatis ketika terjadi gangguan atau secara manual ketika dilakukan perawatan atau perbaikan. Relay ProteksiPenggunaan pengaman pemutus daya untuk kerja otomatis perlu dilengkapi dengan peralatan tambahan yang dapat mendeteksi perubahan keadaan yang terjadi pada rangkaian. Peralatan tersebut berupa gulungan yang diberi daya dari sumber DC melalui saklar yang dioperasikan dengan peralatan khusus yang disebut relai (relay). Relai merupakan suatu peralatan yang dilengkapi dengan kontak-kontak yang mampu merubah rangkaian lain. Oleh karena itu pemutus tenaga yang dilengkapi dengan relai digunakan sebagai peralatan perlindungan suatu sistem tenaga dari kemungkinan kerusakan yang diakibatkan oleh gangguan. Gangguan Pada Saluran Transmisi.
Gangguan ini relatif jarang karena lokasinya memakai tower yang tinggi, namun tetap bisa terjadi, terutama gangguan yang disebabkan oleh petir, kawat yang putus atau disabotasi. Contoh sabotase adalah menggergaji tower sehingga tower menjadi roboh. Proteksi yang digunakan adalah: Komponen pengaman pada saluran udara transmisi tegangan tinggi, antara lain : Kawat Tanah Atau Grounding. Zeus L.E.C Lightning Event Counter.Dipasang di sepanjang jalur SUTT yang berfungsi untuk mengetanahkan arus listrik saat terjadinya gangguan (sambaran) petir secara langsung. Pentanahan tiang untuk menyalurkan arus listrik dari kawat tanah (ground wire) akibat terjadinya sambaran petir. Terdiri dari kawat tembaga atau kawat baja yang di klem pada pipa pentanahan dan ditanam di dekat pondasi tower (tiang) SUTT. Gangguan Pada Gardu Induk (GI).
Banyak sekali penyebab gangguan di gardu induk, seperti trafo jebol karena overload atau karena tua, oli trafo yang bocor, tersambar petir, isolator tembus, percikan api atau korona, kelembaban tinggi, peralatan pendukung terbakar dan lain-lain. Proteksi yang digunakan adalah:
Neutral Grounding Resistance (NGR) adalah komponen yang dipasang antara titik netral trafo dengan pentanahan, dan Neutral Grounding Resistance (NGR) berfungsi untuk memperkecil arus gangguan yang terjadi. Circuit Breaker (CB) adalah peralatan pemutus, yang berfungsi untuk memutus rangkaian listrik dalam keadaan berbeban. Circuit breaker (CB) dapat dioperasikan pada saat jaringan dalam kondisi normal maupun pada saat terjadi gangguan. Kerena pada saat bekerja, CB mengeluarkan (menyebabkan timbulnya) busur api, maka pada CB dilengkapi dengan pemadam busur api. Lightning Arrester (LA) Berfungsi untuk melindungi (pengaman) peralatan listrik di gardu dari tegangan lebih akibat terjadinya sambaran petir (lightning surge) pada kawat transmisi, maupun disebabkan oleh surya hubung (switching surge). Dalam keadaan normal (tidak terjadi gangguan) LA bersifat isolatif atau tidak bisa menyalurkan arus listrik. Dan sebaliknya apabila terjadi gangguan LA akan bersifat konduktif atau menyalurkan arus listrik ke bumi.
Relay
Penggunaan pengaman pemutus daya untuk kerja otomatis perlu dilengkapi dengan peralatan tambahan yang dapat mendeteksi perubahan keadaan yang terjadi pada rangkaian. Peralatan tersebut berupa gulungan yang diberi daya dari sumber DC melalui saklar yang dioperasikan dengan peralatan khusus yang disebut relai(relay). Relai merupakan suatu peralatan yang dilengkapi dengan kontakkontak yang mampu merubah rangkaian lain. Oleh karena itu pemutus tenaga yang dilengkapi dengan relai digunakan sebagai peralatan perlindungan suatu sistem tenaga dari kemungkinan kerusakan yang diakibatkan oleh gangguan. Gangguan Pada JTM.
Banyak sekali gangguan yang dialami oleh Jaringan tegangan menengah (JTM) misalnya tertimpa pohon, terkena sayap burung atau kelelawar, kerangka layang-layang yang menempel atau lengket di jaringan, tiang TV yang roboh dan kena jaringan, fuse (pengaman/sekering) tegangan menengah putus, dan lain sebagainya. Proteksi yang digunakan adalah: Lightning Arresteradalah peralatan pada sistem tenaga listrik yang berfungsi sebagai pengaman terhadap tegangan surja yang terjadi ketika terjadi sambaran petir. Sambaran petir pada jaringan hantaran udara sistem tenaga listrik merupakan suntikan muatan listrik yang menimbulkan kenaikan tegangan sesaat yang cukup besar pada jaringan. Agar tegangan lebih tersebut tidak merusak isolasi peralatan pada jaringan, maka dipasang pelindung yang akan mengalirkan surja petir tersebut ke tanah. IsolatorIsolator mempunyai peranan penting untuk mencegah terjadinya aliran arus dari konduktor phasa ke bumi melalui menara pendukung (tiang). Dengan demikian, isolator merupakan proteksi dalam sistem transmisi energi listrik. Gangguan Pada Distribusi atau JTR. Gangguan tegangan rendah atau distribusi yang sering ada seperti tidak setabilnya tegangan listrik, kendornya sambungan, kabel terseret oleh mobil besar seperti truk atau bis, tiang ditabrak mobil, kabel meleleh karena terlalu panas, tertimpa pohon dan lain sebagainya.Proteksi yang digunakan adalah:
Fuse Cut Out (FCO)Cut out biasanya digunakan pada jaringan distribusi 20 kV untuk proteksi trafo distribusi dari arus lebih akibat hubung singkat, dan juga diletakkan pada percabangan untuk proteksi jaringan. Prinsip kerjanya adalah ketika terjadi gangguan arus maka fuse pada cut out akan putus, seperti yang ada pada SPLN 64 tabung ini akan lepas dari pegangan atas, dan menggantung di udara, sehingga tidak ada arus yang mengalir ke Trafo. Sekring Gardu / Pelebur TR biasanya digunakan pada jaringan distribusi 20 kV untuk proteksi jaringan tegangan rendah (JTR) dari arus lebih akibat hubung singkat. Prinsip kerjanya adalah ketika terjadi gangguan arus maka fuse pada sekring akan putus, sehingga tidak ada arus yang mengalir ke jaringan tegangan rendah (JTR). Gangguan Saluran Rumah (APP). Gangguan yang sering terjadi berupa teganggan yang tidak setabil naik dan turunnya daya listrik, KWH meter rusak dan MCB lemah atau rusak. Poteksi yang digunakan adalah: Miniature Circuit Breaker (MCB)Miniature circuite breaker atau MCBmerupakan komponen listrik yang bekerja dengan sistem thermal atau panas. Didalamnya terdapat bimetal, dimana bila arus listrik yang mengalir melebihi ukuran tertentu (karena kelebihan beban atau terjadi hubung singkat) dari MCB ini, maka bimetal ini secara mekanis akan memutus aliran listrik dan menggerakkan tuas ke posisi “OFF”. Secara umum fungsi MCB antara lain : 1. Membatasi Penggunaan daya Listrik. 2. Mematikan listrik secara otomatis apabila terjadi hubungan singkat. 3. Membagi daya pada instalasi rumah menjadi beberapa bagian, sehingga lebih mudah untuk mendeteksi kerusakan instalasi listrik. Diposkan oleh JOSIA PRA
