pengaruh ukuran butiran air hujan terhadap tegangan tembus udara

SINGUDA ENSIKOM
VOL. 7 NO. 1/April 2014
PENGARUH UKURAN BUTIRAN AIR HUJAN TERHADAP
TEGANGAN TEMBUS UDARA
Join Wan Chanlyn S, Hendra Zulkarnaen
Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU)
Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA
e-mail: [email protected]
Abstrak
Dielektrik merupakan suatu bahan yang sangat penting dalam sistem tenaga listrik, dimana dielektrik berfungsi
sebagai pelindung agar tidak terjadi tembus listrik yang tidak diinginkan.Apabila medan listrik yang diterapkan
melebihi kekuatan dielektrik material tersebut maka akan terjadi breakdown. Tegangan tembus udara
dipengaruhi beberapa hal antara lain temperatur, kelembaban, angin, dan tingkat kontaminasi udara. Adanya
kondisi hujan akan mempengaruhi kekuatan dielektrik udara, karena telah dipengaruhi oleh faktor konduktivitas
dari hujan itu sendiri. Pada paper ini dikaji pengaruh ukuran butiran air hujan terhadap tegangan tembus udara,
dengan pemodelan simulasi hujan buatan pada peralatan tegangan tinggi dengan elektroda bola - bola, elektroda
jarum – jarum, dan jarum piring. Dimana hasil analisis penelitian ini terlihat semakin besar ukuran butiran air
hujan maka semakin besar penurunan tegangan tembus udara yaitu penurunan tegangan terbesar yaitu pada
elektroda bola-bola 61,46%, pada elektroda jarum – jarum 30,34% dan jarum piring 32,41%.
Kata Kunci: dielektrik, breakdown, kekuatan dielektrik, konduktivitas
1.
Pendahuluan
2.
Hujan adalah suatu fenomena alam
dimana air hujan tersebut dapat mengakibatkan
tegangan tembus karena air hujan akan dapat
menghantarkan arus, hal ini dipengaruhi adanya
faktor konduktivitas yang dimiliki oleh hujan
yang memberikan pengaruh kontaminasi
terhadap udara sekitar sehingga tegangan tembus
udara akan berubah dari keadaan idealnya. Dalam
kenyataan tetesan air hujan dapat menyebabkan
breakdown.Air hujan sendiri turun dengan
kondisi yang berbeda, ada hujan gerimis, sedang,
dan lebat. Tentu hal ini membuat ukuran butiran
yang berbeda – beda, sesuai dengan kondisi alam
yang terjadi pada saat itu.
Pada paper ini akan di kaji adalah butiran
air hujan terhadap tegangan tembus (breakdown
voltage) udara. Masalah yang akan di analisis
adalah bagaimana pengaruh ukuran butiran air
hujan terhadap perubahan tegangan tembus
udara. Untuk melakukan analisis datanya
digunakan pemodelan simulasi hujan buatan dan
alat uji yang digunakan peralatan tegangan tinggi
dengan elektroda bola – bola, jarum – jarum, dan
jarum piring di laboratorium Teknik Tegangan
Tinggi di Departemen Teknik Elektro USU.
Teori Kegagalan Isolasi
Suatu peralatan listrik jika mengalami
kegagalan
pengisolasian
maka
akan
mengakibatkan percikan (sparkover) atau
lompatan listrik (flashover) yang sudah
menandakan terjadinya tembus listrik. Terjadinya
tembus listrik berhubungan dengan peristiwa
ionisasi, deionisasi dan emisi.
Ada 2 teori mekanisme tembus listrik pada
udara, yaitu mekanisme Townsend dan
mekanisme Streamer.
Sifat listrik udara dipengaruhi oleh lingkungan
sekitar, sehingga nilai tegangan tembus udara juga
akan berubah sesuai kondisi lingkungan sekitar
udara.
Berikut
ini
faktor-faktor
yang
mempengaruhi tegangan tembus udara [1] :
a. Temperatur Udara
b. Tekanan Udara
c. Kelembaban
Hasil pengujian dielektrik udara tergantung
pada kondisi udara. Karena itu, hasil pengujian
ketika udara dalam keadaan standar perlu
dinyatakan, yaitu pada suhu udara 200C, tekanan
udara 760 mmHg dan kelembaban udara
11g/m3[2]. Hasil pengujian pada keadaan standar
adalah :
copyright DTE FT USU
2014
-
1
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 7 NO. 1/April 2014
Kd= (
(1)
Karena : δ = kd, maka Persamaan 1 dapat juga
ditulis :
Vs =Vb / δ
(2)
Dimana
δ = factor koreksi temperatur dan tekanan udara
Salah satu faktor yang mempengaruhi
perubahan nilai tegangan tembus udara adalah air
hujan, dimana air hujan merupakan polutan yang
membuat udara berubah dari keadaan idealnya.
Ukuran butiran hujan adalah berjenis-jenis.
Nama dari butir hujan tergantung dari ukurannya.
Dalam meteorologi, butir hujan dengan diameter
lebih dari 0,5 mm di sebut hujan dan diameter
antara 0,50-0,1 mm disebut gerimis (drizzle) [3].
Kecepatan jatuh tetesan hujan dapat
ditentukan dengan beberapa metode. Diantaranya
adalah [4]:
1. Menggunakan kurva dan tabel yang ada,
Seperti yang terlihat kurva Gambar 1.
2. Kecepatan jatuh hujan dapat diestimasi
dengan rumus empiris Gunn and Kinzer:
v(D) = 3,86 D0,67
yang lebih lengkap dan sesuai pengujian yang
hendak dilakukan.
Gas ideal adalah gas yang hanya terdiri
dari molekul-molekul netral, sehingga tidak dapat
mengalirkan arus listrik.
Sifat – sifat listrik di udara pada keadaan
standar pada suhu 200C :
Resistivity (ρ):1.3×1016 - 3.3×1016(Ω.m)
Conductivity (σ) :3 x 10-7 – 8 x 10-µ.siemens/cm
Kekuatan dielektrik : 31,7 kV/cm
Pada Tabel 1 dijelaskan karakteristik dari air
hujan.
Tabel 1. Karakteriktik Air Hujan [5].
(3)
Keterangan v(D) adalah kecepatan jatuh
butiran hujan, dan D adalah diameter butiran
hujan pada kisaran antara 0.8 dan 4.0 mm.
3. Menggunakan kamera berkecepatan tinggi.
Gambar 1. Grafik Hubungan Antara Diameter
Tetesan Terhadap Kecepatan dan Ketinggian
Jatuh Air Hujan [4].
Pada percobaan ini, untuk menentukan
kecepatan tetesan air hujan yang akan di uji,
maka dari yang tertera pada Gambar 1 dijadikan
sebagai rujukan, karena dalam grafik tersebut
disajikan hubungan antara diameter tetesan
terhadap kecepatan dan ketinggian jatuh air hujan
Hujan adalah suatu fenomena alam dimana
air hujan tersebut dapat mengakibatkan tegangan
tembus karena air hujan akan dapat
menghantarkan arus. Dalam kenyataan tetesan air
hujan dapat menyebabkan breakdown.Sebab
hujan merupakan salah satu polutan yang dapat
mengubah konduktivitas suatu bahan dielektrik.
Adanya kondisi hujan akan mempengaruhi
kekuatan dielektrik dalam mencegah terjadinya
tembus antar dua peralatan tegangan tinggi yang
diisolasi, disebabkan konduktivitas air hujan
lebih tinggi dibandingkan udara. Tingkat
kenaikan konduktivitas udara tergantung
seberapa besar curah hujan yang membasahi
udara tersebut.
Apabila konduktivitas semakin tinggi, maka
kekuatan dielektrik suatu bahan akan juga
semakin kecil, sehingga tegangan tembus juga
akan semakin kecil. Hal ini dikarenakan
konduktivitas
berbanding lurus
terhadap
rapatarus dan berbanding terbalik terhadap kuat
medan listrik [6], yang ditunjukkan seperti pada
Persamaan 4.
J=σE
Konduktivitas dinyatakan dengan σ dan
didefinisikan sebagai perbandingan antara rapat
arus (J) terhadap kuat medan listrik (E).
copyright DTE FT USU
2014
-
(4)
2
SINGUDA ENSIKOM
3.
VOL. 7 NO. 1/April 2014
Metode Penelitian
Penelitian dilakukan pada bulan Agustus
2013 di Laboratorium Teknik Tegangan
Tinggi, Departemen Teknik Elektro, Fakultas
Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Dalam penelitian, data yang diperoleh
didapat dengan menggunakan percobaan
simulasi hujan buatan, yang dirancang
sedemikian rupa.
Pembuatan simulasi hujan dilakukan untuk
melakukan media pengujian kotak uji pada
kondisi hujan, dimana ukuran butiran air hujan
dapat diatur dengan membuat lubang pada
silinder tabung hujan yang bervariasi mulai
berukuran 1 mm, 1,5 mm, 2 mm, 2,5 mm dan 3
mm. Air hujan dimasukkan kedalam silinder
tabung hujan yang telah diberi lubang tersebut
sesuai ukuran butiran air hujan yang hendak
diuji. Kemudian sebuah plat tipis berbentuk
lingkaran berdiameter 7 cm yang dikopel dengan
sebuah motor listrik dan juga telah dilubangi
dengan ukuran lubang yang sama diletakkan
kedalam tabung dan diletakkan sedemikian rupa
sehingga lubang pada plat tipis ini posisinya
sama dengan lubang pada silinder tabung hujan.
Selanjutnya plat tipis tersebut di putar oleh motor
listrik tersebut. Tujuannya adalah supaya air
hujan yang lewat dari tabung hujan ini seolaholah terputus, dimana saat keadaan lubang pada
tabung hujan bertemu dengan lubang pada plat
tipis maka air hujan dapat mengalir atau jatuh,
demikian pada hal sebaliknya diamana saat
lubang pada tabung hujan tidak bertemu dengan
lubang pada plat tipis maka air hujan tidak dapat
mengalir atau jatuh. Sehingga air hujan yang
mengalir jatuh seolah-olah terputus, sesuai
keadaan hujan yang sesungguhnya. Alat
pembuatan simulasi hujan diperlihatkan di
Gambar 2.
Gambar 2. Alat Pembuatan Simulasi Hujan
Keterangan :
1. Motor listrik, untuk memutar plat tipis
dalam tabung hujan
2. Besi tiang penyangga
3. Selang, dimana tempat masuknya air hujan
ke tabung hujan
4. Silinder
Tabung
hujan,
tempat
penampungan air hujan yang terbuat dari
stainless stell guna untuk memastikan tidak
adanya kontaminasi antara wadah silinder
tabung hujan dengan air hujan.
5. Kotak uji
6. Elektroda bola
7. As besi, untuk mengkopel plat tipis dengan
motor listrik
8. Karton untuk mengurangi efek kapasitasi
dengan tiang penyangga
9. Kaki besi
Dalam percobaan, dilakukan beberapa
percobaan untuk memperoleh data yang diteliti
dengan melakukan variasi pengujian. Variasi
pengujian yang dilakukan adalah keadaan :
Kondisi sebelum di hujani.
Kondisi saat dihujani dengan ukuran butiran
air hujan yang bervariasi yaitu mulai
berukuran diameter 1 mm, 1,5 mm, 2 mm,
2,5 mm dan 3 mm,dimana ketinggian jatuh
hujan yang bervariasi yaitu mulai ketinggian
1 m, 2 m, dan 3 m. Sesuai dengan yang
terlihat digrafik pada gambar 2.1, dimana
kecepatan
jatuhnya
tetesan
hujan
berhubungan dengan ketinggian dan diameter
butiran air hujan.
Pengujian tegangan tembus udara pada saat
keadaan hujan, dengan ukuran butiran hujan yang
bervariasi di ketinggian jatuh hujan 1- 3 meter.
copyright DTE FT USU
2014
-
3
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 7 NO. 1/April 2014
Adapun prosedur percobaan yang dilakukan
adalah sebagai berikut :
1. Membuat rangkaian percobaan seperti yang
diperlihatkan di Gambar 3 :
4. Hasil dan Analisis
Dari analisa hasil percobaan, maka diperoleh
ukuran butiran hujan terhadap tegangan tembus
udara, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4, 5
dan 6.
Kondisi untuk ketinggian
ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 3. Rangkaian Percobaan
2. Memastikan rangkaian telah tersusun dan
terhubung dengan baik dan benar untuk
menghindari kesalahan dalam pengujian.
3. Mengatur ketinggian jatuhnya air hujan pada
ketinggian 1 m, seperti pada Gambar 3.
4. Memasang lubang hujan yang berdiameter 1
mm pada silinder tabung hujan.
5. Mengatur jarak sela elektroda bola, pada
jarak 4,0 cm.
6. Mengukur temperatur dan tekanan pada
ruang uji.
7. Tegangan keluaran AT dinaikkan secara
bertahap sampai terjadi tegangan tembus
pada udara.
8. Pada saat yang bersamaan, tegangan V
dicatat dan saklar S1 dan S2 dibuka.
9. Ulangi langkah 5 -8 sampai 5 kali hingga
diperoleh lima data tegangan tembus udara
pada kondisi jarak sela 4,0 cm yang nanti
dihitung tegangan rata-ratanya guna untuk
memperoleh data yang lebih akurat.
10. Langkah 4 - 9 dilakukan untuk jarak sela
elektroda bola yang bervariasi yaitu 3,5 cm,
3,0 cm, 2,5 cm, 2,0 cm dan 1,5 cm.
11. Ulangi langkah 4-10 diatas untuk pengujian
elektroda jarum – jarum dan elektroda jarum
piring.
12. Lakukan kembali langkah 2-11 untuk
pengujian diameter butiran hujan yang
berbeda yaitu 1,5 mm, 2 mm, 2,5 mm, dan 3
mm.
13. Ulangi semua langkah (1-12) untuk
pengujian jatuh hujan dengan ketinggian 2
meter dan 3 meter dengan mengatur jarak
ketinggian jatuh tetesan hujan pada alat
percoabaan.
meter,
(a)
(b)
(c)
Gambar 4. (a,b,c) Grafik Kondisi Keadaan
Butiran Hujan di Ketinggian Hujan 1 Meter.
Kondisi untuk ketinggian
ditunjukkan pada Gambar 5.
copyright DTE FT USU
2014
-
hujan 1
hujan 2
meter,
4
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 7 NO. 1/April 2014
(a)
(b)
(c)
Gambar 6. (a,b,c) Grafik Kondisi Keadaan
Butiran Hujan di Ketinggian Hujan 3 Meter
(b)
(c)
Gambar 5. (a,b,c) Grafik Kondisi Keadaan
Butiran Hujan di Ketinggian Hujan 2 Meter
Kondisi untuk ketinggian hujan 3 meter,
ditunjukkan pada Gambar 6.
(a)
Dari grafik yang ditunjukkan Gambar 4, 5, dan 6
diperoleh:
a. Ada pengaruh hujan terhadap perubahan
tegangan tembus udara, dimana semakin
besar ukuran butiran hujan maka semakin
kecil tegangan tembus udara. Hal ini dapat
dianalisa
sebagai
berikut
apabila
konduktivitas semakin tinggi, maka tegangan
tembus akan semakin kecil, karena
dibutuhkan kuat medan listrik yang semakin
kecil untuk dapat melepaskan elektron dari
ikatannya yang pada gilirannya membuat
nilai tegangan tembus juga semakin kecil.
b. Penurunan tegangan tembus udara paling
besar terjadi pada elektroda bola-bola. Hal ini
diakibatkan pengaruh luas permukaan
elektroda, dimana saat terjadi hujan, butiran
hujan akan menumbuk permukaan elektroda
bola dan butiran tersebut akan terpecah
membentuk butiran hujan yang baru sehingga
butiran hujan di sela udara diantara elektroda
akan semakin banyak sehingga akan
membuat udara diantara sela elektroda akan
semakin konduktif dan memperkecil
tegangan tembus udara.
c. Pada elektroda jarum – jarum dan elektroda
jarum piring penurunan tegangan tembus
udara hampir relatif sama. Hal ini disebabkan
karena luas permukaan elektroda jarum –
copyright DTE FT USU
2014
-
5
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 7 NO. 1/April 2014
jarum dan jarum piring yang relatif sama,
dimana elektroda jarum – jarum dan jarum
piring dibuat dalam posisi horizontal,
sehingga butiran hujan yang menumbuk
permukaan elektroda juga hampir sama.
Analisis besar persentase penurunan tegangan
tembus udara pada berbagai elektroda adalah
sebagai berikut :
Tabel 2. Persentase Penurunan Tegangan
Tembus Udara pada Ketinggian Hujan 1 Meter.
Tabel 3. Persentase Penurunan Tegangan Tembus
Udara pada Ketinggian Hujan 2 Meter.
Dari Tabel 1, 2 dan 3 di atas terlihat bahwa
persentase penurunan tegangan tembus udara
saat dihujani terhadap tegangan tembus udara
sebelum dihujani yang tertinggi yaitu pada
ketinggian hujan 3 meter dan pada ukuran
butiran hujan 3 mm dimana pada elektroda bola
– bola yaitu sebesar 61,46%, sementara pada
elektroda jarum – jarum 30,34% dan pada
elektroda jarum piring 32,41%. Hal ini
memperlihatkan bahwa ketinggian jatuh hujan
dan ukuran butiran mempengaruhi perubahan
tegangan tembus udara.
5. Kesimpulan
Tabel 4. Persentase Penurunan Tegangan
Tembus Udara pada Ketinggian Hujan 3 Meter.
Dari hasil analisa data yang diperoleh dari
percobaan yang dilakukan, maka dapat ditarik
beberapa kesimpulan sebagai berikut :
1. Butiran hujan mempengaruhi tegangan
tembus udara. Semakin besar ukuran butiran
air hujan maka tegangan tembus udara
semakin kecil, hal ini disebabkan karena
pengaruh kondiktivitas hujan yang lebih
besar dibandingkan konduktivitas udara.
2. Penurunan tegangan tembus paling besar
terjadi pada elektroda bola – bola yaitu
61,46%, sementara penurunan tegangan
tembus pada elektroda jarum – jarum dan
jarum piring relatif hampir sama yaitu
30,34% dan 32,41%.
3. Semakin besar kecepatan butiran hujan maka
tegangan tembus udara semakin kecil, karena
semakin besar kecepatan hujan maka energi
copyright DTE FT USU
2014
-
6
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 7 NO. 1/April 2014
kinetik butiran hujan untuk menumbuk
permukaan elektroda juga semakin besar
yang membuat terjadinya banyak butiran
hujan yang baru pada sela elektroda saat
menumbuk elektroda yang membuat udara
semakin konduktif.
Referensi
[1] Wilvian. “Pengaruh Kelembaban Terhadap
Tegangan Flashover Ac Isolator Piring”,
Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro Fakultas
Teknik – USU, Medan, 2012.
[2] Tobing, Bonggas L., “Dasar-dasar Teknik
Pengujian Tegangan Tinggi”, edisi kedua,
Jakarta: Penerbit Erlangga, 2012.
[3] Sosrodarsono, Suyono.,”Hidrologi Untuk
Pengairan”, Jakarta : PT. Abadi, 2003.
[4] Seyhan, Ersin, “Dasar – Dasar Hidrologi”,
Yogiakarta : Gadjah Mada University Press,
1997.
[5] Agustiarni, Yeni., “Pengaruh Hutan Kota
Dalam Mengurangi Hujan Asam di Kawasan
Industri (Studi Kasus di Kawasan Industri
Medan, Kelurahan Mabar, Kecamatabn
Medan Deli, Medan)”, Tugas Akhir Jurusan
Kehutanan Fakultas Pertanian – USU,
Medan, 2008.
[6] Kuffel, E., dkk, “High Voltage Engineering:
Fundamentals”, edisi kedua, Oxford:
Butterworth-Heinemann, 2000.
copyright DTE FT USU
2014
-
7