BAB II Teori Dasar

BAB II
Teori Dasar
2.1 Sumber-sumber Tegangan Lebih
Tegangan lebih yang sering menimbulkan gangguan dalam sistem tenaga listrik berasal
dari dua sumber utama yaitu tegangan lebih internal dan tegangan lebih eksternal. Sumber
tegangan lebih internal meliputi operasi on/ offswitching dan gangguan tidak simetris terutama
sistem yang netralnya tidak di tambahkan.
Tegangan lebih eksternal berasal dari gangguan yang terjadi di atmosfer. Penyebab utama
tegangan lebih eksternal adalah sambaran petir.sambaran petir ini dapat menimbulkan gangguan
pada sistem tenaga listrik seperti yang akan dijelaskan dalam pembahasan selanjutnya.
2.2 Pengertian Petir
Petir terjadi apabila muatan di beberapa bagian atmosfer kuat medan listriknya mencapai
nilai yang cukup tinggi menyebabkan kegagalan listrik di udara sehingga timbul peralihan
muatan listrik yang besar. Peralihan muatan ini dapat terjadi di dalam awan. Antara awan dan
dari awan ke permukaan bumi.
Sumber terjadinya petir adalah awan cumulonimbus atau awan guruh yang berbentuk
gumpalan dengan ukuran vertical lebih besar dari ukuran horizontal. Ukuran vertical dapat
mencapai 14 km dan ukuran horizontal berkisar 1,5 sampai 7.5 km. Karena ukuran vertikalnya
yang cukup besar terjadi perbedaan temperatur antara bagian bawah dengan bagian atas. Bagian
bawah bisa mencapai 5 darajat C sedangkan bagian atas -6 C.
Loncatan di awan dengan berkumpulnya uap air di bawah awan. Karena perbedaan
temperatur yang besar antar bagian bawah dengan bagian yang lebih di atas. Butiran air bagian
bawah yang temperaturnya lebih hangat berusaha berpindah ke bagian atas sehingga mengalami
pendinginan dan membentuk Kristal es. Kristal es yg lebih berat daripada butiran air berpindah
ke bagian bawah. Kristal es yg turun dan butir air yang naik saling mendesak sehingga timbul
gesekan yang menimbulkan pemisah muatan. Butir air yang bergerak naik membawa muatan
positif sedangkan Kristal es membawa muatan negative sehingga terbentuk awan yang mirip
dengan dipole listrik. Pada saat tegangan antara ujung awan sudah cukup besar terjadilah
pelepasan muatan listrik.
2.3
Impuls Petir
2.3.1 Proses Terjadinya Sambaran Petir
Faktor-faktor yang mempengaruhi pembentukan atau pengumpulan muatan di awan
begitu banyak dan tak pasti. Tekanan atmosfer akan menurun dengan makin bertambahnya
ketinggian suatu tempat dari permukaan horizontal. Pergerakan udara (sering disebut angin) ini
akan membawa udara lembab ke atas, kemudian udara lembab ini akan mengalami kondensasi
menjadi uap air, lalu berkumpul menjadi titik-titik air yang pada akhirnya membentuk awan.
Angin kencang yang meniup awan akan membuat awan mengalami pergeseran secara
horizontal maupun vertikal, ditambah dengan benturan antara titik –titik air yang dalam awan
tersebut dengan partikel-partikel udara yang dapat memungkinkan terjadinya pemisahan muatan
listrik di dalam awan tersebut. Butiran air yang bermuatan positif, biasanya berada dibagian atas
dan yang bermuatan negatif dibagian bawah. Dengan adanya awan yang bermuatan induksi pada
permukaan bumi sehingga menimbulkan medan listrik antar bumi dengan awan.
Mengingat dimensi bumi dianggap rata terhadap awan sehingga bumi dan awan dianggap
sebagai dua plat sejajar membentuk kapasitor. Jika medan listrik yang terjadi melebihi medan
tembus udara, maka akan terjadi pelepasan muatan. Terjadinya pelepasan udara inilah yang
disebut sebagai petir.
Setelah adanya peluahan di udara sekitar awan bemuatan yang medan listriknya cukup
tinggi, terbentuk peluahan awal yang biasa disebut pilot leader. Pilot leader ini menentukan arah
perambatan muatan dari awan ke udara, diikuti dengan titik-titik cahaya.
Setiap sambaran petir bermula dari suatu lidah petir (leader) yang bergerak turun dari
awan bermuatan dan disebut downleader (lihat pada Gambar 2.1.1.a). Downward leader ini
bergerak menuju bumi dalam bentuk langkah-langkah yang disebut step leader. Pergerakan step
leader ini arahnya selalu berubah-ubah sehingga secara keseluruhan arah jalannya tidak
beraturan dan patah-patah. Panjang setiap 50 m (dalam rentang 3-200m), dengan interval waktu
antara setiap step ± 50 µs (30-125 µs). dari waktu ke waktu, dalam perambatannya ini step
leader mengalami percabangan sehingga terbentuk lidah petir yang bercabang-cabang.
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 2.1 Tahapan Proses Sambaran Petir
Ketika leader bergerak mendekati bumi, maka ada beda potensial yang makin tinggi
antara ujung step leader dengan bumi sehingga terbentuk peluahan mula yang disebut upward
streamer pada permukaan bumi atau objek akan bergerak ke atas menuju ujung step leader.
Apabila upward leader telah masuk ke dalam zona jarak sambaran atau striking distance,
terbentuk petir penghubung(connecting leader) yang menghubungkan ujung step leader dengan
objek yang disambar (gambar 2.1.1.b). Setelah itu akan timbul sambaran balik (return stroke)
yang bercahaya sangat terang bergerak dari bumi atau objek menuju awan dan melepas muatan
di awan (2.1.1.c)
Jalan yang ditempuh oleh return stroke sama dengan jalan turunnya step leader, hanya
arahnya yang berbeda. Kemudian terjadi sambaran susulan(subsequent stroke) dari awan menuju
bumi atau objek tersebut. Sambaran susulan ini tidak memiliki percabangan dan biasa disebut
lidah panah atau dart leader (2.1.1.d). Pergerakan dari leader ini sekitar 10 kali lebih cepat dari
leader yang pertama (sambaran pertama atau first stroke).
Pada umumya, hampir separuh (±55%) dari peristiwa kilat petir (lightning flash)
merupakan sambaran ganda seperti tersebut di atas, dengan jumlah sambaran sekitar 3 atau 4
sambaran tiap kilat (bisa juga lebih), diantaranya 90% tidak lebih dari 8 sambaran, interval waktu
setiap sambaran kurang lebih 50 ms (Hutagaol, 2009).
2.4
Resiko Kerusakan Akibat Sambaran Petir
Petir yang menyambar bangunan di bumi merupakan bunga api listrik yang
mengosongkan muatan awan yang singkat dalam orde mikro detik dengan arus puncak yang
tinggi (Anonim 2, 2004). Selain itu sambaran petir dapat mengakibatkan beberapa hal
(Direktorat Penyelidikan Masalah Bangunan) yakni :
a. Beban termal (terjadi panas pada bagian-bagian yang dialiri oleh arus petir).
b. Beban mekanis karena timbulnya gaya elektrodinamis sebagai akibat tingginya
puncak arus.
c. Beban korosi, karena proses elektrokimia dalam rangka proses pengosongan muatan
awan.
d. Beban getaran mekanis karena guntur.
e. Beban tegangan lebih karena adanya induksi dan pergeseran-pergeseran potensial di
dalam bangunan.
Sehubungan dengan akibat-akibat diatas perlu diketahui harga-harga karakteristik petir
dan akibat yang ditimbulkan.
Tabel 2.1 Harga karakteristik petir dan akibat yang ditimbulkan
Harga Karakteristik
Akibat
Puncak arus petir
I
Tegangan Lebih terjadi pada
tempat sambaran.
Vs = I . Ra
Ra : Tahanan pentanahan
Pindah energi pada tempat
sambaran yang dapat berakhir
pada peleburan pada ujung objek
sambaran.
Pemanasan W = R . fi2 . dt dan
gaya elektrodinamis pada
penghantar.
Tegangan induksi elektromagnetis
pada benda logam di dekat
instalasi penangkal petir.
Muatan Listrik
Q = fi . dt
Kuadrat arus impuls
fi2 . dt
Kecuraman maksimum arus
impuls petir di/dt maks
Sumber : Direktorat Penyelidikan Masalah Bangunan, (PUIPP)
2.4.1. Gangguan pada Jaringan dan Instalasi Listrik
Gangguan jenis ini dikelompokkan menjadi 2 bagian yaitu sambaran petir mengenai
kaawat tanah dan kawat petir mengenai kawat fasa.
Sambaran petir langsung mengenai kawat tanah dapat mengakibatkan hal-hal sebagai berikut:
a. Terputusnya kawat tanah.
Arus yang besar menyebabkan panas yang tinggi pada kawat tanah yang dapat
melampaui kekuatan kawat untuk menahannya.
b. Naiknya potensial kawat tanah yang diikuti oleh backflashover ke kawat fasa. Pada saat
terjadi sambaran pada kawat tanah, dengan cepat potensialnya naik mencapai nilai yang
cukup tinggi sehingga dapat mengakibatkan lompatan muatan listrik ke kawatfasa di
dekatnya.
c. Naiknya
potensial
pentanahan
menara
transmisi
yang
menyebabkan
bahaya
teganganlangkah.
Pada saat petir menyambar permukaan tanah. Sejumlah arus petir dilepaskan ke bumi. Jika
seseorang berdiri di dekat titik dimana terjadi sambaran, timbul beda pottensial antara kakinya.
Beda potensial ini akan mengakibatkan arus mengalir melewati kaki dan mengalir ke badan.
Meskipun kecil, tetapi arus ini jika mengenai organ vital seperti otak, jantung dan paru-paru akan
mengakibatkan kematian.
Jika dikenal ada tegangan langkah, ada juga tegangan yang disebut dengan tegangan sentuh
yang terjadi ketika seseorang menyentuh benda yang dialiri arus. Pada peralatan yang tidak
ditanahkan arus tersebut akn mengalir lewat tubuh orang itu. Sambaran langsung mengenai
kawat fasa mengakibatkan kenaikan tegangan tinggi pada kawat fasa. Kenaikan tegangan yang
cukup tinggi ini dapat menyebabkan pecahnya isolator, kerusakan trafo tenaga dan pecahnya
arrester.
2.4.2. Gangguan Petir pada Peralatan Elektronik dan Listrik
Sambaran petir pada suatu struktur bangunan maupun saluran transmisi dapat
mengakibatkan kerusakan pada peralatan elektronik, peralatan control, computer telekomunikasi
dan peralatan lainnya dalam suatu bangunan.
Gangguan pada peralatan elektronik, control, dan telekomunikasi berdaskan jenis sambarannya
dibedakan menjadi kerusakan akibat sambaran langsung dan kerusakan akibat sambaran tidak
langsung.
2.4.2.1. Kerusakan akibat sambaran langsung
Kerusakan ini terjadi karena sambaran petir mengenai suatu struktur bangunan dan
merusak bangunan tersebut sekaligus peralatan elektronik yang ada di dalamnya. Kerusakan
yang diakibatkan dapat berupa kebakaran gedung, keretakan pad dinding bangunan, kabakaran
pada alat elektronik,control, komunikasi jaringan data dan sebagainya.
Jumlah rata-rata frekuensi sambaran petir langsung per tahun (Nd) dapat dihitung dengan
perkalian kerapatan kilat ke bumi per tahun (Ng) dan luas daerah perlindungan efektif pada
gedung (Ae) :
Nd = Ng . Ae
(2.1)
Kerapatan sambaran petir ke tanah dipengaruhi oleh hari guruh rata-rata pertahun di
daerah tersebut. Hal ini ditunjukkan oleh hubungan seperti berikut :
Ng = 4.10-2 . T1.26
(2.2)
Sedangkan besar Ae dapat dihitung sebagai berikut (Hosea dkk, 2006) :
Ae = ((2(p+l) . 3h) + (3,14. 9h2))
(2.3)
Sehingga dari substitusi persamaan (2.2) dan (2.3) ke persamaan (2.1) maka nilai Nd
dapat dicari dengan persamaan berikut :
Nd = 4.10-2 . T1.26 ((2(p+l). 3h)+( 3,14. 9h2)) (2.4)
dengan :
p
= panjang gedung (m)
l
= lebar gedung (m)
h
= tinggi atap gedung (m)
T
= hari guruh per tahun
Nd
= jumlah rata-rata frekuensi sambaran petir langsung per tahun (sambaran/tahun)
Ng
= kerapatan sambaran petir ke tanah (sambaran/Km2/tahun)
Ae
= Luas daerah yang masih memiliki angka sambaran petir Nd (Km2)
2.4.2.2. Kerusakan akibat sambaran petir tidak langsung
Kerusakan jenis ini terjadi karena petir menyambar suatu titik lokasi misalnya pada suatu
menara transmisi atau menara telekomunikasi kemudianterjadi hantaran secara induksi melalui
kabel aliran listrik, kabel telekomunikasi atau peralatan lain yang bersifat konduktif sampai
jaraktertentu yang tanpa disadari telah merusakperalatan elektronik yang jaraknya jauh dari
lokasi sambaran semula.
Mekanisme induksi karena secara tidak langsung sambaran petir menyebabkan kenaikan
potensial pada peralatan elektronika dijelaskan sebagai berikut:
a. Kopling Resistif
Ketika permukaan banguna terkena sambaran petir, arus yang mengalir ke dalam tanah
membangkitkan tegangan yang bisa mencapai ribuan volt di antara tegangan suplai 220
V, jaringan data dan pentanahan. Hal ini menyababkan sebagian arus mengalir pada
bagian pengahantar luar misalnya kabel yang terhubung dengan bangunan dan terus
menuju ke pembumian.
b. Kopling Induktif
Arus petir yang mengalir dalam suatu penghantar akan menghasilkan medan magnet.
Medan magnet akan berhubungan dengan pengantrar lainnya sehingga menyebabkan
terjadinya loop tegangan dengan nilai tegangan yang cukup tinggi.
c. Kopling Kapasitif
Saluran petir dekat sambaran petir dapat menyebabkan medan kapasitif yang tinggi pada
peralatan penghantar seperti suatu kapasitor yang sangat besar dengan udara sebagai
dielektriknya. Melalui cara ini terjadi kenaikan tegangan tinggi pad akabel meskipun
bangunan tidak terkena sambaran langsung.
Rata-rata frekuensi tahunan/(Na) dari kilat yang mengenai tanah dekat gedung dapat
dihitung dengan perkalian kerapatan-kerapatan kilat ke tanah pertahun Ng dengan cakupan
daerah disekitar gedung yang disambat Ag.
Na = Ng . Ag
(2.5)
Daerah sekitar sambaran petir (Ag) adalah daerah di sekitar gedung di mana suatu sambaran ke
tanah menyebabkan suatu tambahan lokasi potensial tanah yang mempengaruhi gedung.
2.5
Hari Guruh
Hari guruh adalah banyaknya hari dimana terdengar guntur paling sedikit satu kali dalam
jarak kira-kira 15 Km dari stasiun pengamatan. Hari guruh biasa juga disebut Hari Badai Guntur
(Thunderstormdays). Isokeraunic level adalah jumlah hari guruh dalam satu tahun di suatu
tempat yang digunakan untuk menggambarkan peta isokeraunic di suatu wilayah yaitu garis pada
peta yang menghubungkan daerah-daerah dengan rata-rata jumlah hari guruh yang sama.
Wilayah Indonesia yang berada di daerah khatulistiwa mempunyai keadaan iklim yang
lembab dan wilayah perairan yang luas sehingga banyak terjadi pembentukan awan bermuatan
yang tinggi. Hal ini memungkinkan terjadinya banyak sambaran petir setiap tahunnya .
2.6
Parameter dan Karakteristik Surja Petir
Parameter dan karakteristik surja petir terdiri atas besar arus dan tegangan petir,
kecepatan pembangkitan serta bentuk gelombang petir tersebut.
2.6.1 ArusPetir
Bentuk-bentuk oscilogram gelombang arus surja petir dapat dilihat pada gambar
2.3. Oscilogram dari arus petir tersebut menunjukkan bahwa bagian muka gelombang
dari arus petir dicapai dalam waktu ± I 0 \xs. Arus puncak mungkin dicapai dalam
waktu
±
JO JJS kemudian bagian gelombang arus berikutnya mengalami penurunan
dalam durasi beberapa mikrodetik.
Arus petir diukur dengan menggunakan magnetic link yaitu batang berbentuk
silinder terbuat dari baja berlapis plastic yang mempunyai tingkat kekerasan (coercive) yang
cukup besar. Hal ini dimaksudkan supaya ketika magnetic link berada dalam medan
magnet meskipun beberapa saat kemudian medan magnetnya hilang, magnet link tetap
dapat menyimpan sisa magnet yang proporsional dengan intensitas medan magnet di
tempa.t tersebut. Magnetik link umumnya dipasang pada menara telekomunikasi,
bangunan tinggi atau menara transmisi.
(b) Arus surja petir dengan polaritas negatif
Gambar 2.2. Bentuk Oscilogram Gelombang
Arus Surja Petir
Sumber: Naidu, M.S. & Kamaraju,Y. High Voltage Engineering. Hal 234.
Sambaran petir pada suatu objek di bumi yang diikuti oleh aliran arus petir yang
tinggi dalam waktu yang sangat singkat disebut arus impuls petir. Kerusakan yang dapat
ditimbulkannya ditentukan oleh parameter tertentu yaitu:
a. Arus puncak impuls petir ( i ) : yaitu harga maksimum dari arus impuls
petir yang dapat menyebabkan tegangan lebih pada tempat sambaran.
b.
Kecuraman arus petir ( di/dt ) : yaitu 1(\ju kenaikan
terhadap waktu yang dapat menyebabkan tegangan induksi
elektromagnetik pada benda logam di dekat instalasi
penangkal petir.
c.
Muatan listrik arus petir (Q - J/0. dt) : yaitu jumlah
muatan arus petir yang dapat menyebabkan peleburan pada
ujung objek sambaran.
d.
Integral kuadrat arus impuls ( J/ W 2 dt ): efek thermis yang
timbul sebesar = R jr dt dapat menyebabkan panas yang
berlebihan pada penghantar.
Tabel 2.2. Parameter Petir di
indonesia
No.
Lokasi
I.
2.
Medan
Pekanbaru
Palembang
Jakarta
Cilacap
Stuabava
3.
4.
5.
6.
I( kA )
89,7
74,7
87,0
81,7
89,0
81,9
dildt max
(kA/sec)
29,3
25,7
28,7
27,4
29,4
27,3
Q total
(C)
12,4
11 3
12,2
11,8
12,4
11,6
Qimpuls
(C )
4,10
3,76
3,93
3,86
4,10
3,80
W/R
( kJ/ft )
4.900
3.500
4.700
4.100
4.900
4.100
Sumber: Makalah Sistem Proteksi Petir. LAPI-ITB. 19 Janmui 1995.
2.6.2. Kecepatan Pembangkitan
Karakteristik petir lainnya adalah waktu untuk mencapai harga puncak dan
kecepatan
pembangkitannya.
Berikut
ini
adalah
tabel
yang
menunjukkan
hubungan amplitude arus petir, waktu pencapaian harga puncak dan kemungkinan
terjadinya.
Tabel 2.3. Amplitude Arus Petir dan Kemungkinan Terjadinya
Arus petir ( kA )
20
40
60
80
>100
% terjadinya
45,52
30,48
15,51
5,35
2,14
Sumber : Transmission Line Reference Book 345 kVandAbove. Hal 377.
Tabel 2.4. Waktu pencapaian harga puncak dan kemungkinan terjadinya.
Muka Gelombang (jas)
% Terjadinya
0.5
34.27
1.0
26.22
1.5
18.18
2.0
12.59
> 2.5
8.74
Sumber : Transmission Line Refrence Book 345 kVandAbove. Hal 378
2.6.3. Tegangan Petir
Transient Overvoltage yang disebabkan oleh petir dapat digolongkan sebagai suatu gelombang
berjalan yang secara matematis mempunyai persamaan :
E(l) = E(e-at – ebl)
dimana : E, a, b adalah konstanta
(2.6)
Dengan mengganti nilai a dan b dapat diperoleh berbagai bentuk gelombang yang dapat dipakai
sebagai pendekatan dari gelombang ber\jalan antara lain :
a. Gelombang persegi yang sangat panjang
a=0
b = tak terhingga
c=E
Huaturuk, T.S. Gelombang Berjalan dan Proteksi Surja.Penerbit Erlangga. Hal 5.
Ibid. Hal 6.
b. Gelombang Eksponensial
b = tak terhingga
c = E.e-at
c. Gelombang Sinusiodal Terpotong
a = a-jw
b – a – jw
(2.7)
2.6.4. Bentuk Gelombang
Adapun bentuk gelombang berjalan yang memenuhi dan merupakan bentuk gelombang
dari surja petir yang disebut gelombang kilat tipikal seperti terlihat pada gambar 2.3.
Gambar 2.3. Gelombang tipikal kilat
Sumber : Huaturuk, T.S. Gelombang Berjalan dan Proteksi Surja. Hal 4.
Spesifikasi dari gelombang tersebut adalah :
a. Puncak gelombang (crest), E (kV), yaitu amplitude maksimum dari gelombang.
b. Muka gelombang, ti (^s) yaitu waktu dari permulaan sampai puncak, biasanya
diambil 10% E sampai 90%E.
c. Ekor gelombang, yaitu bagian belakang puncak. Panjang gelombangnya adalah t2
(jws), yaitu waktu dari permulaan sampai titik 50% E pada ekor gelombang.
d. Polaritas, yaitu polaritas dari gelombang apakah positif atau negative.
Gelombang dengan suatu polaritas positif, puncak 1000 kV muka gelombang 3JJS,
panjang gelombang 21 ps sering dituliskan sebagai berikut : ± 1000, 3 x 21. Gelombang kilat
tipikal merupakan bentuk gelombang yang paling mirip dengan bentuk gelombang surja petir
(lightning surge). Bentuk gelombang ini tergantung dari harga – harga a dan b. Bila spesifikasi
gelombang diberikan maka harga – harga a, b, dan E dapat dicari, sedangkan jika a, b, dan E
sudah diketahui dapat dicari spesifikasi gelombang tersebut yaitu puncak gelombang, muka
gelombang, dan panjangnya.
2.6.4.1. Puncak dan Muka Gelombang.
Puncak gelombang terjadi pada saat t = t1, yaitu waktu untuk mencapai tegangan puncak.
Sehingga untuk t = t1 :
(2.8)
(2.9)
maka,
(2.10)
Dan diperoleh tegangan puncak, yaitu
(2.11)
1.6.4.2 Panjang Gelombang
Waktu untuk mencapai ½ puncak = t2, sehingga :
(2.12)
Hutauruk, T.S. Gelombang Berjalan dan Proteksi Surja. Penerbit Erlangga. Hal 7.
Persamaan ini menyatakan hubungan antara t2/ti untuk berbagi harga tertentu dari a/b.
namun karena persamaan ini cukup rumit maka untuk memperoleh I2 harus dengan jalan
mengisi dengan harga-harga tertentu. Untuk memudahkan dengan menggunakan grafik seperti
gambar 2.4.
Grafik ini menunjukkan hubungan-hubungan antara :
a1j
sebagai fungsi b/a dari persamaan 2.5.
E1/E2
sebagai fungsi b/a dari persamaan 2.6.
t2/ti
sebagai fungsi b/a dari persamaan 2.7.
Gambar 2.4. Grafik spesifikasi gelombang tipe kilat
Sumber : Hutauruk, T.S. Gelombang Berjalan dan Proteksi Surja. Hal.7.
Cara menggunakan grafik tersebut adalah sebagai berikut :
Untuk harga-harga ti dan t2 yang diketahui, dicari harga b/a, at u dan E1/E2 dari lengkung t2/ti.
Kemudian dicari harga dari ati dan b dari b/a.
Contoh :
Untuk gelombang dimana harga-harga a, b dan E diketahui + 1000,3 x 21 diperoleh
t2/t1=7
Dari lengkung t2/t1 diperoleh b/a = 28,5 Dari b/a ini diperoleh at1 = 0,122 dan E1/E2 =
0,085
Sehingga
a = 0,1223 = 0,041
b = 28,5 a – 28,5 x 0,041 = 1,15
E = E1/0,0852 = 1000/0,0852 = 1175.
Persamaan gelombang tersebut adalah :
(2.13)
2.7. Akibat yang Ditimbulkan oleh Sambaran Petir
Petir bisa menimbulkan bermacam-macam gangguan yang tidak hanya membahayakan peralatan
namun juga bisa mengancam keselamatan jiwa manusia baik secara langsung maupun tidak
langsung.
2.7.1 Gangguan pada Jaringan dan Instalasi Listrik
Gangguan jenis ini dikelompokkan menjadi 2 jenis bagianyaitu sambaran petir mengenai
kawat tanah dan sambaran mengenai kawat fasa.
Sambaran petir langsung mengenai kawat tanah dapat mengakibatkan hal-hal sebagai
berikut :
a. Terputusnya kawat tanah
Arus yang besar menyebabkan panas yang tinggi pada kawat tanah
yang dapat melampaui kekuatan kawat untuk menahannya.
b. Naiknya potensial kawat tanah yang diikuti oleh backflashover ke kawat fasa.
Pada saat terjadi sambaran pada kawat tanah, dengan cepat potensialnya naik
mencapai nilai yang cukup tinggi sehingga dapat mengakibatkan lompatan
muatan listrik ke kawat fasa didekatnya.
c. Naiknya potensial pentanahan menara transmisi yang menyebabkan bahaya
tegangan langkah.
2.8.
Penangkal Petir Eksternal
Pengaman suatu bangunan atau objek terhadap suatu sambaran petir pada hakekatnya
adalah penyedia suatu sistem yang direncanakan dan dilaksanakan dengan baik sehingga jika
terjadi sambaran petir maka sarana inilah yang akan menyalurkan arus petir ke dalam tanah
dengan aman tanpa menimbulkan bahaya
bagi manusia atau benda berbahaya yang berada di dalam diluar atau di sekitar bangunan
(Direktorat Penyelidikan Masalah Bangunan, 1983)
Proteksi eksternal adalah instalasi dan alat-alat di luar sebuah struktur untuk menagkap
dan menghantar arus petir ke sistem pentanahan atau berfungsi sebagai ujung tombak penangkap
muatan arus petir ditempat tertinggi (Hosea dkk, 2004)
Pada hakekatnya instalasi penangkal petir adalah instalasi yang dipasang dengan maksud
untuk mencegah dan menhindari bahaya yang ditimbulkan oleh kejadian sambaran petir baik
bahaya bagi manusia maupun bangunan serta peralatan (Purbomiluhung, 2008). Sistem
penangkal petir yang dikenal ada macam-macam namun pada dasarnya prinsip kerja dari sistemsistem tersebut adalah sama yaitu :
a. Menangkap Petir
Sistem tersebut menyediakan sistem penerimaan (air terminal) yang dapat dengan cepat
menyambut luncuran arus petir mampu untuk lebih cepat dari sekelilingnya dan memproteksi
secara tepat dengan memperhitungkan besaran petir.
b. Menyalurkan Peti
Luncuran petir yang telah ditangkap dialirkan ke tanah secara aman tanpa mengakibatkan
terjadinya loncatan listrik (imbasan) ke bangunan atau manusia.
c. Menampung Petir
Sistem tersebut menyediakan sebaik mungkin agar arus petir yang turun sepenuhnya
dapat diserap oleh tanah tanpa menimbulkan bahaya pada bagian- bagian bangunan atau
manusia yang berada dalam posisi kontak dengan tanah disekitar sistem pentanahan tersebut.
Instalasi penangkal petir eksternal meliputi :
a.
Pengadaan susunan finial penangkal petir (air termination)
b. Pengadaan sistem penyaluran arus petir (down conductor)
c.
Pembuatan sistem pentanahan (grounding)
2.8.1. Finial (Air Termination)
Finial adalah bagian sistem proteksi petir eksternal yang dikhususkan untuk menangkap
sambaran petir (Hosea dkk, 2004). Finial biasanya berupa elektroda logam yang dipasang di atas
atap secara tegak maupun mendatar. Finial akan menerima pembebanan panas yang tinggi
sehingga dalam pemilihan jenis logam, ketebalan dan bentuknya ditentukan oleh pertimbangan
besarnya muatan arus petir (Purbomiluhung, 2008). Adapun jenis bahan dan ukuran terkecil dari
finial dapat dilihat pada Tabel 2.5.
Tabel 2.5 Bahan dan Ukuran terkecil finial (Air Terminal) Tegak
No.
Komponen
1
Kepala
Batang tegak
2
Finial batang
pendek
3
Jenis Bahan
Tembaga
Baja Galvanis
Aluminium
Bentuk
Pejal runcing
Pejal runcing
Pejal runcing
Tembaga pejal
Bulat
Pita
Ukuran
1” dari dudukan
1” dari pita
1” dari baja
galvanis
10 mm
25x3 mm
Aluminium
Pipa
Pejal bulat
Pejal bulat
Pejal bulat
Pejal pita
1”
10 mm
25x3 mm
½”
24x4 mm
Tembaga
Pejal bulat
Pejal pita
10 mm
25x3 mm
Baja galvanis
Pejal bulat
Pejal pita
10 mm
25x3 mm
Aluminium
Pejal bulat
Pejal pita
½”
25x3 mm
Galvanis
Pejal bulat
Pejal pita
Pilin
Pejal bulat
Pejal pita
8 mm
25x3 mm
50 mm
8 mm
25x3 mm
Aluminium
Pejal bulat
Pejal pita
½”
25x4 mm
Baja galvanis
Tembaga
4
Finial datar
Sumber : Direktorat Penyelidikan Masalah bangunan PUIPP (1983
2.9.
Sistem Perlindungan Bangunan
Instalasi bangunan menurut letak, bentuk, penggunaannya dianggap mudah terkena sambaran
petir dan perlu dipasang penangkal petir adalah (Anonim1, 1983) :
a. Bangunan tinggi seperti gedung bertingkat, menara, dan cerobong pabrik.
b. Bangunan-bangunan tempat penyimpanan bahan yang mudah terbakar atau meledak
seperti pabrik amunisi atau gedung penyimpanan bahan peledak.
c. Bangunan-bangunan seperti gedung bertingkat, gedung instansi pemerintah, pusat
perbelanjaan, sekolah, dan lain sebagainya.
d. Bangunan-bangunan berdasarkan fungsi khusus perlu dilindungi secara baik seperti
museum dan gudang arsip negara.
2.9.1 Sistem Proteksi Petir pada Bangunan
Suatu instalasi proteksi petir harus dapat melindungi semua bagian dari suatu bangunan
termasuk manusia dan peralatan yang berada didalamnya terhadap bahaya dan kerusakan akibat
ambaran petir. Hal yang penting mengenai penetuan besarnya kebutuhan proteksi petir akan
dibahas menggunakan standar Peraturan Umum Instalasi Penangkal Petir (PUIPP), National Fire
Protection Association(NFPA) 780 dan International Elechtrotecgnical Commision (IEC) 10241-1(Hosea dkk, 2004) :
a. Berdasarkan PUIPP besarnya kebutuhan tersebut ditentukan berdasarkan penjumlahan
indeks-indeks tertentu yang mewakili keadaan bangunan di suatu lokasi dan ditulis
sebagai berikut :
R=A+B+C+D+E
(2.14)
Besarnya nilai indeks A, B, C, D, E dan prakiraan besarnya bahaya sambaran petir di atas
diperoleh dari tabel-tabel yang terdapat pada lampiran nantinya.
b. Berdasarkan NFPA 780 hampir sama dengan cara yang digunakan pada PUIPP yaitu
dengan menjumlahkan sejumlah indeks yang mewakili keadaan lokasi bangunan
kemudian hasil penjumlahan dibagi dengan indeks yang mewakili iso keraunic level di
daerah tersebut. Iso Keraunic Level (IKL) adalah sejumlah hari guruh dalam satu tahun di
suatu tempat. Secara matematik dituliskan sebagai :
R = (A + B + C + D + E) / F
(2.15)
Besarnya nilai indeks A, B, C, D, E, F dan tingkat Proteksi sambaran petir yang
dibutuhkan (R) di atas diperoleh dari tabel-tabel yang terdapat pada lampiran nantinya.
c. Berdasarkan standar International Electrotechnical Commision (IEC) 1024-1-1 pemilihan
tingkat proteksi yang memadai untuk sistem proteksi petir didasarkan tingkat proteksi
yang memadai untuk sistem proteksi petir didasarkan frekuensi sambaran petir langsung
setempat (Nd) pada persamaan 2.4 yang diperkirakan ke struktur yang di proteksi dan
frekuensi sambaran petir setempat (Nc) yang diperoleh.
Pengambilan keputusan perlu atau tidaknya memasang sistem proteksi petir pada
bangunan berdasarkan perhitungan Nd dan Nc dilakukan sebagai berikut
-
Jika Nd ≤ Nc, tidak perlu sistem proteksi petir.
-
Jika Nd > Nc, diperlukan sistem proteksi petir dengan efisiensi :
E ≥ 1 – Nc/Nd
(2.16)
Tingkat proteksi sesuai table 2.6.
Tingkat Proteksi
Effisiensi SPP
I
0.98
II
0.95
III
0.90
IV
0.80
Tabel 2.6 Efisiensi sistem proteksi petir
Sumber : Hosea, dkk (2004)
Grafik nilai kritis effisiensi sistem proteksi proteksi petir yaitu perbandingan Nc dengan
Nd ditunjukkan pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Nilai kritis efisiensi sistem proteksi petir
Penentuan penempatan terminasi udara (finial) sesuai dengan tingkat proteksi yang
dimiliki suatu bangunan dapat ditinjau tabel 2.6 dan tabel 2.7.
Tabel 2.7. Penempatan finial sesuai dengan tingkat proteksi
h (m)
20
30
45
60
Tingkat
Poteksi
r (m)
Αo
αo
αo
αo
Lebar
Jaring
I
20
25
-
-
-
5
II
30
35
25
-
-
10
III
45
45
35
25
-
15
IV
60
55
45
35
35
20
Sumber : Standar Nasional Indonesia.Proteksi Bangunan Terhadap Petir (2004)
2.10. Metode Ruang Proteksi Penangkal Petir
Metode ruang proteksi penangkal petir meliputi metode konvensional dan non
konvensional akan dijabarkan sebagai berikut :
2.10.1 Metode Ruang Proteksi Konvensional
Pada awal mula ditemukannya penangkal petir dan beberapa tahun setelah itu ruang
proteksi dari suatu penangkal petir berbentuk ruang kerucut dengan sudut puncak kerucut
berkisar antara 250 hingga 550 dapat dilihat pada gambar 2.6.a. Pemilihan besarnya sudut
proteksi ini menyatakan tingkat proteksi yang diinginkan. Semakin kecil sudut proteksi maka
semakin tinggi tingkat proteksi yang diperoleh semakin baik namun semakin mahal biaya
pembangunannya. (Syakur dan Yusningtyastuti, 2006)
a. Realita dalam bentuk tiga dimensi ruang
b. Dalam bentuk dua dimensi untuk penyederhanaan
Gambar 2.6 Ruang proteksi konvensional
Untuk mempermudah analitik, ruang proteksi tiga dimensi dapat dilukiskan secara dua
dimensi dan karena bentuknya simetri, maka analisis dapat dilakukan hanya pada bagian
(Gambar 2.6.b). Semua benda-benda yang berada dalam ruang kerucut proteksi (atau bidang segi
tiga proteksi) akan terhindar dari sambaran petir. Sedangkan benda-benda yang berada di luar
ruang kerucut proteksi (atau di luar bidang segi tiga proteksi) tidak akan terlindungi.
Jenis instalasi penangkal petir konvensional yakni rangkaian jalur instalasi penyalur petir
yang bersifat pasif menerima sambaran petir. sistem faraday cage/sangkar faraday merupakan
sistem pemasangan penangkal petir yang baik untuk instalasi penangkal petir konvensional.
Pada kasus gedung yang bagian puncaknya merupakan permukaan yang luas, maka untuk
mengatasi sambaran petir pada bagian yang paling mudah tersambar ini, dipasang penghantar
mendatar yang berfungsi sebagai terminal tambahan. Penghantar mendatar yang dipasang pada
bagian atap akan berbentuk seperti sangkar. Perlindungan penghantar seperti inijuga akan
berfungsi melindungi gerdung dari bahaya induksi atau masuknya muatan yang besar.
Untuk meningkatkan fungsi perlindungan dapat dilakukan dengan menambahkan jumlah
konduktor penghantar dan masing-masing konduktor penghantar dihubungkan secara listrik
dengan sistem pentanahan.
Penggunaan penangkal petir sistem sangkar Faraday pada gedung dapat dilihat pada
gambar 2.7 :
Gambar 2.7. Sambaran petir disuatu titik tertentu
Pada Gambar 2.7.a terlihat objek C terletak diluar daerah jangkauan perlindungan
penangkal petir A, maka objek tersebut akan mungkin terkena sambaran petir. Untuk
mengamankan objek C perlu dipasang penangkal petir tambahan B (gambar 2.7 b).
Sistem sangkar Faraday akan lebih sempurna bila pada system penangkal petir
ditambahkan batang penangkal petir pendek (finial) yang diletakkan pada daerah yang mudah
tersambar (biasanya dipasang pada tiap-tiap sudut, sepanjang sisi dan bagian yang menonjol dari
gedung), yang kemudian dihubungkan satu sama lain dengan konduktor pebnghantar yang
terdekat secara listrik seperti yang terlihat pada gambar 2.8.
Gambar 2.8. Prinsip penangkal petir sistem sangkar faraday
Tujuan dari pemasangan batang penangkal petir pendek (finial) yaitu apabila lidah petir
mendekat menuju batang penghantar mendatar, maka arus muatan akan mudah ditangkap dan
dialiri melalui batang penangkal petir pendek tersebut, (Sriyadi, 2003)
2.10.2 Metode Ruang Proteksi Non Konvensional
Teori elektrostatis adalah teori yang mengadopsi sebagian dari teori proteksi proteksi
radio aktif, yaitu menambah muatan pada ujung finial/splitzer agar petir selalu memilih ujung ini
untuk disambar. Perbedaan dengan sistem radio aktif adalah jumlah energi yang dipakai. Untuk
penangkal petir radio aktif muatan listrik dihasilkan dari proses hamburan zat beradiasi
sedangkan pada proteksi petir elektrostatis energi listrik yang dihasilkan dari listrik awan yang
menginduksi permukaan bumi.
Teori elektrostatis yang sekarang ini lebih dikenal dengan Early Streamer Emission
(ESE) didasarkan pada suatu standard Perancis (French National Standard NF C 17-102, July
1995). Metode ini mempunya mekanisme kerja sebagai berikut.
Ketika awan bermuatan listrik melintas diatas sebuah proteksi petir elektrostatis, maka
semua benda-benda yang ada di bumi akan megeluarkan ion-ion nya menuju awan bermuatan
listrik tersebut. Biasa awan hitam yang mengandung listrik terbesar bermuatan negatif dan
benda-benda yang ada dibumi mengeluarkan muatan yang berlawanan/muatan positif. Saat itu
juga sistem grounding yang sudah terintegrasi dengan proteksi petir elektrostatis juga
mengeluarkan muatan positifnya menuju finial tip proteksi petir. Dan saat awan hitam
mengeluarkan lidah petirnya, muatan negative yang ada pada lidah petir terkopling kapasitif
dengan badan dari proteksi petir elektrostatis dan membuat badan proteksi petir tersebut juga
mengandung muatan negatif. Ini membuat adanya proses tarik menarik muatan antara badan
proteksi petir yang sekarang bermuatan negatif dengan finial tip proteksi petir yang bermuatan
positif. Pada saat lidah petir akan menyambar ke bumi, muatan positif ini akan mencari muatan
negative yang lebih kuat dan akan terlontar kea rah muatan yang lebih kuat, yaitu pada lidah
petir. Hal ini akan membuat suatu jalur petir dan mengakibatkan petir akan menyambar proteksi
petir elektrostatis tersebut. Dan arus petirnya akan dibawa melalui penghantar ke bumi.
Metode ini membentuk suatu radian dalam memproteksi area yang akan diproteksi.
Radius proteksi pada proteksi petir elektrostatis ini ditentukan oleh besarnya arus dan tinggi
tiang proteksi petirnya. Semakin tinggi tiang proteksi petir maka semakin luas radius
proteksinya.
P.Elektrostat
Gambar 2.9 Konsep ruang proteksi menurut metode elektrostatis
Hubungan antara besarnya arus petir dengan jarak sambar dapat dijelaskan sebagai
berikut (Syakur dan yuningtyastuti, 2006). Bila arus petir yang terjadi bernilai kecil artinya
mengandung jumlah muatan kecil maka energi yang diperlukan untuk memicu lidah petir
melakukan loncatan terakhir juga kecil sehingga jangkauan sambaran berjarak pendek. Jika arus
petir yang terjadi bernilai lebih besar artinya mengandung jumlah muatan lebih banyak maka
energy yang diperlukan untuk memicu lidah petir melakukan loncatan terakhir juga lebih besar
sehingga jangkauan sambaran berjarak lebih jauh.
Hubungan besar arus dengan jarak sambaran (rs) ditunjukkan persamaan berikut
(Lamber, dkk, 1999):
rs = 10 .I0.65
(2.17)
dengan :
rs = jarak sambaran (m)
Î = arus puncak petir (kA)
Besarnya sudut perlindungan dari sebuah penangkal petir dapat ditentukan dengan
menggunakan rumus dari ketetapan standard Perancis (French National Standard NF C 17-102,
July 1995) :
Rp = √h(2D-h) + ∆T(2D+∆T) untuk h ≥ 5m, dimana:
Parameter dalam perhitungan Rp (Radius Proteksi) :

∆T diperoleh dari hasil pengetesan :
Elektrostatis 15 = ∆T (µs) 15
Elektrostatis 30 = ∆T (µs) 30
Elektrostatis 50 = ∆T (µs) 50
Elektrostatis 60 = ∆T (µs) 60

h = Tinggi tiang proteksi petir yang terpasang pada bangunan yang akan di proteksi (m)

D (dalam m) tergantung dalam pemilihan “level proteksi”, level proteksi terlampir pada
annex B dalam standard Perancis (French National Standard NF C 17-102).
D = 20 m untuk level proteksi level 1 (High Protection)
D = 45 m untuk level proteksi level 2 (Medium Protection)
D = 60 m untuk level proteksi level 3 (Standard Protection)
Dengan menggunakan konsep ruang proteksi menutur elektrogeometri model dan bidang
sambar serta garis sambar maka diperoleh perlindungan bangunan seperti terlihat pada gambar
2.10.
Gambar 2.10. Perlindungan bangunan dengan metode elektrogeometri
dengan :
h = Tinggi tiang proteksi petir diatas bangunan
Rp = Radius Proteksi