Overvoltages-Fenomena Petir

MAKALAH

TEKNIK TEGANGAN TINGGI

DOSEN:

Dr. Eng ARIADI HAZMI

PRIANDIKA (1110953005)

FIKKY SYOFYAN (1110953025)

SYAIFUL (0910952049)

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS ANDALAS

PADANG

2013

8.1 Penyebab alami overvoltages – fenomena petir

Fenomena Petir adalah sebuah puncak di mana muatan terkumpul di dalam awan ke sebuah awan yang berdekatan atau ke tanah (ground). Pemisahan elektroda, yaitu awan ke awan, atau awan ke ground sangatlah jauh, kisaran 10 km atau lebih. Mekanisme pembentukan muatan dalam awan dan discharges-nya cukuplah rumit dan prosesnya tidak menentu. Namun, banyak informasi yang telah dikumpulkan hingga lima puluh dan beberapa teori telah mencoba menjelaskan tentang fenomena ini. Sebuah ringkasan dari berbagai proses dan teori disajikan dalam bagian ini.

8.1.1 Pembentukan Muatan dalam Awan

Faktor-faktor yang mempengaruhi pembentuka atau terkumpulnya muatan dalam awan sangatlah banyak dan tidak menentu. Tetapi selama badai petir, muatan-muatan positif dan negatif menjadi terpisah karena arus udara yang besar dengan kristal es pada bagian atasnya dan hujan pada bagian bawah dari awan. Pemisahan muatan tergantung pada tingginya awan, yang berkisar dari 200 sampai 10.000 m, dengan pusat muatannya mungkin ada pada jarak 300 sampai 2000 m. Volume dari awan ikut serta dalam lompatan petir yang tidak menentu, tapi muatan didalam awan mungkin sebesar 1 hingga 100C. Awan mungkin memiliki potensial sebesar 107 samapi 108 V dengan bidang gradient mulai dari 100 V/cm dengan awan sebesar 10 kV/cm pada titik awal discharge. Energi yang terkait dengan discharge awan dapat sebesar 250 kWh. Hal ini diyakini bagian atas dari awan biasanya bermuatan positif, sedangkan bagian bawah dan dasar didominasi negatif kecuali wilayah sekitarnya, dekat dasar dan atas , yang positif. Gradien maksimum dicapai pada tingkat ground disebabkan oleh sebuah muatan awan bisa sebesar 300 V/cm, sedangkan gradient pada cuaca cerah sekitar 1 V/cm. Sebuah model distribusi muatan pada Fig.8.1 dengan bidang gradient yang berhubungan dengan tanah (ground).

Fig.8.1

Berdasarkan pada teori Simpsons (Fig.8.2) ada tiga wilayah penting pada awan yang perlu diperhatikan untuk pembentukan muatan. Di bawah wilayah A, arus udara bergerak di atas 800 cm/s, dan tidak ada turun hujan. Pada wilayah A, kecepatan udara cukup tinggi untuk memecah hujan yang turun yang menyebabkan muatan positif terpecik didalam awan dan muatan negatifnya di udara. Percikan dihembuskan ke atas, tetapi selaku kecepatan udara menurun, air yang bermuatan positif turun bergabung kembali dengan tetesannya yang lebih besar dan jatuh kembali. Jadi wilayah A, akhirnya menjadi dominasi bermuatan positif, sedangkan wilayah B diatas itu, bermuatan negatif karena arus udara. Di bagian atas dari awan, temepraturnya rendah (dibawah titik beku) dan hanya ada Kristal es. Dampak dari udara pada Kristal ini membuat mereka bermuatan negative, jadi distribusi dari muatan dalam awan ditunjukkan pada Fig.8.2.

Fig.8.2

Namun, teori diatas sudah lama dan penjelasannya tidak memuaskan. Baru-baru ini, Reynolds dan Mason mengusulkan perubahan, berdasarkan dengan awan petir yang

dikembangkan pada ketinggian 1 sampai 2 km diatas permukaan tanah dan mungkin meningkat sampai 12 sampai 14 km diatas tanah. Untuk awan petir dan pembentukan muatan arus udara, kelembapan dan rentang suhu spesifik yang diperlukan.

Arus udara yang dikontrol oleh gradient suhu yang bergerak ke atas membawa kelembapan dan tetesan air. Suhunya 0oC pada 4 km dari tanah dan bisa mencapai -50oC pada ketinggian 12 km. tapi tetesan air tidak membeku segera setelah temperature 0oC. Mereka membeku dibawah -40oC sebagai partikel padat yang pola Kristal es-nya mengembang dan meluas. Semakin besar jumlah dari kawasan padatnya atau inti, semakin tinggi temperaturnya (>-40oC) dimana Kristal es tersebut meluas. Jadi dalam awan, rentang suhu membeku yang efektif antara -33oC sampai -40oC. Tetesan air dalam awan petir diterbangkan oleh arus udara dan menjadi sangat dingin diatas rentang ketinggian dan temperaturnya. Ketika pembekuan terjadi, Kristal menjadi lebih besar massanya dan karena berat dan gaya grafitasi mulai bergerak ke bawah. Jadi, sebuah awan petir terdiri dari tetesan air superdingin bergerak ke atas dan hujan es batu yang bergerak ke bawah.

Ketika bergerak ke atas tetesan air superdingin bertindak atas hujan es yang lebih dingin, itu membeku sebagian, yakni lapisan luar tetesan air membeku membentuk tempurung dengan air didalamnya. Ketika proses pendinginan meluas ke dalam air yang lebih hangat di inti., mengembang, sehingga memecah dan menyemprotkan tempurung es yang membeku. Pecahan yang baik ukurannyabergerak naik oleh arus udara dan membawa muatan positif bersih ke wilayah atas awan. Batu-batu hujan es yang turun membawa setaramuatan negative ke wilayah bawah awan dan demikian muatan negative bertambah di sisi bawah dari awan.

Menurut Mason, serpihan es seharusnya membawa naik muatan positif saja. Air menjadi bersifat ionic di alam memiliki konsentrasi dari ion H+ dan OH-. Massa jenis ion bergantung pada suhu. Jadi, dalam sebuah lempeng es dengan permukaan atas dan bawah pada temperature T1 dan T2 (T1 < T2), dimana akan lebih tinggi konsentrasi ionnya pada wilayah rendah. Namun, karena ion-ion H+ lebih ringan, mereka berdifusi lebih cepat semua volume. Oleh karena itu, bagian bawah yang lebih hangat akan memiliki massa jenis muatan negative, dan karena bagian atas, yaitu wilayah dingin akan memiliki massa jenis muatan positif. Oleh karena itu, harus dipertimbangkan, bahwa tempurung luar dari tetesan air yang membeku berhubungan dengan

hujan es akan relative lebih dingin (daripada bagian initi-air hangat) dan karena itu diperoleh muatan positif. Ketika tempurung terpecah, muatan yang terbawa olehnya ke atas adalah positif.

Menurut teori Reynold, yang berdasarkan hasil percobaannya, hujan es bermuatan negative ketika menyangkut pada es Kristal yang lebih hangat. Ketika kondisi suhu dibalik, polaritas dari muatan berbalik. Namun, tingkat pengisian dan akibatnya tingkat dari pembangkitan muatan ditemukan untuk tidak sepakat dengan pengamatan praktis yang berkaitan dengan awan petir. Tipe dari fenomena ini juga terjadi pada awan petir.

Tingkat Pengisian Awan Petir

Mason beranggapan awan petir terdiri dari campuran seragam dari muatan positif dan negative. Karena hujan es batu dan arus udara muatan terpisah secara vertical. Jika λ adalah factor yang bergantung pada konduktifitas dari medium, akan ada kebocoran resistif muatan dari medan elektrik dibangun., dan hal ini diambil untuk pertimbangan untuk pengisian awan.

Jika E adalah intensitas medan listrik, v adalah kecepatan dari pemisahan muatan, dan ρ kerapatan muatan di awan. Lalu, intensitas medan listrik E menjadi

                                                                                                             (8.1)

karena,

                                                                                             (8.2)

Persamaan ini mengasusmsikan awalnya E = 0 pada t = 0, awal pemisahan muatan, yaitu tidak ada pemisahan awalnya.

Misal Q, menjadi muatan yang terpisah dan Qg adalah muatan yang dihasilkan, maka

                                                                                                                         (8.3a)

dan

                                                                                                                                (8.3b)

dimana εo adalah permisivitas medium, A adalah luas awan dan h adalah ketinggian dari wilayah muatan.

Dari persamaan (8.2), pada subsitusi

                                                               (8.4)

Dimana M = Qs.h = momen listrik dari badai petir. Nilai rata-rata yang diamati untuk awan petir adalah:

Konstanta waktu = 1/λ = 20s

Momen listrik M= 110 C-km dan

Waktu untuk kilatan petir muncul, t= 20s

Kecepatan pemisahan muatan, v= 10 sampai 20 m/s.

Dengan mensubsitusi nilai, maka didapatkan

Perhitungan menggunakan teori Mason menunjukkan bahwa perpindahan sebuah muatan maksimum dari 3 x 10-3 T esu/cm2 dari permukaan kontak untuk periode-nya 0,01s, dimana T adalah perubahan suhu.

Teori dan pengamatan dari Reynolds dan lainnya memberikan nilai 5 x 10-9 esu per dampak Kristal untuk perbedaan suhu 5oC. Teori Mason terlihat memeberikan nilai yang lebih tinggi, namun menjelaskan fenomena dengan memuaskan.

8.1.2 Mekanisme Sambaran Petir

Distribusi muatan di awan, pada umumnya dibagian atasditempati oleh muatan positif, sementara itu di bagian bawah awanyang ditempati oleh muatan negatif. Sambaran akan diawali olehkanal muatan negatif, menuju daerah yang terinduksi positif. Hal inimenyebabkan sambaran yang terjadi umunya adalah sambaranmuatan negatif dari awan ke tanah. Gambar 1.1. berikut inimemperlihatkan kemungkinan distribusi muatan awan petir yangumum terjadi.

Polaritas awan tidak hanya berpengaruh pada arah sambaran, akantetapi berpengaruh juga pada besar arus sambarannya.

Peluahan muatan listrik yang terjadi antara awan dengan tanahterjadi karena adanya kuat medan listrik antara muatan awan denganmuatan induksi di permukaan tanah yang polaritasnya berlawanan.Semakin besar muatan yang terdapat di awan, semakin besar pula medan listrik yang terjadi. Apabila kuat medan ini melebihi kuatmedan tembus udara, maka akan terjadi peluahan muatan dari awanke tanah. Peristiwa peluahan muatan ini dinamakan kilat atau petir.

Setiap sambaran petir diawali dengan muatan awal bercahayalemah yang disebut dengan luahan perintis (pilot streamer).Luahanperintis ini akan menentukan arah perambatan muatan awan keudara. Kejadian ini timbul karena tembus listrik lokal yang terjadi didalam awan, akibat kuat medan listrik yang dibentuk oleh muatanmayoritas negatif dengan muatan minoritas positif

dibagian bawahawan petir. Arus yang berhubungan dengan luahan perintis ini sangatkecil yaitu hanya mencapai beberapa ampere.

Tembus lokal ini memberi kesempatan kepada muatan untukbergerak dan bergesekan dengan uap air pada temperatur tinggi,sehingga akan meningkatkan konsentrasi muatan negatif di dalamawan. Akibatnya konsentrasi muatan tersebut menyebabkantegangan tembus melebihi harga kritisnya sehingga terbentuk lidahmuatan negatif. Lidah bermuatan negatif ini adalah merupakan gejalapeluahan muatan sebagian yang dikenal dengan nama sambaran perintis(stepped leader). Langkah dari sambaran perintis selaludiikuti oleh titik-titik cahaya yang bergerak turun ke bumi danmelompat-lompat lurus, tetapi arah dari setiap lompatan langkahnyaberubah-rubah, sehingga secara keseluruhan jalannya tidak lurus danpatah-patah.

Selama pusat muatan di awan dapat memberikan muatan untukmempertahankan gradien tegangan pada ujung sambaran perintis danmelebihi kekuatan tembus udara, maka sambaran perintis akan terusbergerak turun. Sebaliknya bila gradien tegangan di ujung sambaranperintis lebih kecil di kuat medan tembus udara, maka tidak terjadilidah berikutnya dan sambaran perintis berhenti sampai disini saja danwaktu dari sambaran perintis samapai bumi kira-kira 20 mili detik.

Bila perintis ini telah dekat dengan bumi, maka akan terbentukkanal muatan positif dari bumi yang naik menyongsong turunnyasambaran perintis. Pertemuan kedua kanal ini akan menyebabkanujung sambaran perintis terhubung singkat ke tanah, maka seketikagelombang muatan positif di bumi bergerak naik menuju ke pusatawan, bergerak lebih cepat melalui kanal yang telah terionisasi.Peristiwa ini dikenal dengan sambaran balik(return stroke). Sambaran balik ini merupakan arus utama di suatu peluahan muatankarena besarnya antara 20 - 100 kA yang bergerak dengan kecepatan3.106sampai 3.107m/s dalam waktu sepersepuluh mili detik. Arus yang dihasilkan adalah berbentuk impuls dengan harga puncaknyayang dapat dicapai dalam mikro detik.

Gambar 1.2 dan 1.3 di bawah ini memperlihatkan tahapansambaran petir ke tanah serta arus impuls yang dihasilkannya, dantahapan sambaran petir bermuatan negatif dari awan ke tanah.

Apabila arus sambaran balik telah berhenti, dan ternyata dibagian lain dari awan masih tersedia cukup muatan untuk mengawalisambaran berikutnya, maka akan terjadi sambaran perintis kedua.Sambaran ini mengalir secara langsung dari awan ke tanah dengankecepatan 3x108m/s, melalui lintasan yang telah dibentuk olehsambaran perintis pertama, tanpa mengalami percabangan.Sambaran perintis kedua ini disebut dengan pelopor panah (dart leader), yang diikuti oleh sambaran balik kedua. Sambaran peloportanah dan sambaran balik yang mengikutinya disebut dengan sambaran urutan (multiple stroke)

dimana :

a. Sambaran perintis bergerak turun menuju bumi dengan arahberubah-rubah.

b. Kanal muatan positif menyambut turunnya sambaran perintis.

c. Gelombang muatan positif dari bumi menuju pusat muatan diawan.

d. Setelah pelepasan muatan pertama, kanal muatan positif bergerak menuju pusat muatan berikutnya.

e. Pelepasan muatan antar pusat muatan di awan, diikuti olehpelopor kedua bergerak menuju bumi.

f. Terjadi sambaran balik kedua.

Sambaran urutan ini umumnya terjadi pada sambaran awantanah bermuatan negatif. Hampir 85% sambaran awan tanah adalahnegatif, diikuti oleh sambaran urutan dengan jumlah sambaran rata-rata 3 kali. Ciri-ciri sambaran urutan ini adalah kecuraman arusdahinya yang tinggi.

8.1.3 Parameter Petir

Parameter adalah karakteristik suatu sambaran petir yang terjadi, sambaran tunggal maupun sambaran berulang. Karakteristik suatu sambaran petir ini diperoleh dengan melakukan pengukuran langsung di lapangan. Dengan mengetahui karakteristik petir, maka pengaruhnya pada makhluk hidup dan peralatan-peralatan listrik dapat diketahui.

Petir dengan polaristas positif maupun negative, dalam setiap sambarannya akan mengalirkan arus petir yang akan menyebabkan kerusakan atau kehancuran dari objek yang disambar. Komponen arus tersebut, sering dinyatakan sebagai parameter petir, yaitu:

1. Arus puncak petir; arus puncak atau imax yang diukur dalam satuan amper, parameter ini memberikan pengaruh pada kenaikan tegangan vmax pada benda yang disambarnya, karena benda tersebut mempunyai resistansi atau R, yang diukur dalam satuan ohm.

2. Muatan arus petir; muatan arus listrik adalah Q dalam sejumlah energy yang diberikan pada metal atau objek yang disambar menimbulkan bung api dan meleburkan metal pada titik sambaran tersebut. Mempunyai satuan amperdetik (As). Energy bunga api yang diberikan tergantung pada tegangan titik sambaran.

3. Energy spesifik arus petir, sering disebut impuls force yang dapat menyebabkan kerusakan sebagai akibat pemasangan sebagai akibat pengaruh elektrodinamik pada metal atau objek, diukur dengan satuan newton detik, atau kilogram.

4. Kecuraman arus petir; di/dt dalam satuan kA/μdetik, adalah besaran yang berpengaruh pada induksi elektro magnetic pada metal atau instalasi yang mempunyai induksifitas dan terletak dekat titik sambaran, seperti hantaran melingkar, loop, gulungan dan lain-lain.

Keempat parameter arus petir inilah yang menentukan karakteristik dari petir, dan besaran berbeda antara di daerah tropis dan subtropics. Parameter sangat dibutuhkan untuk tujuan pemeliharaan dan perancangan system perlindungan petir.

8.1.4 Model Matematis Petir

Selama proses pembentukan muatan, awan mungkin dianggap nonconductor. Oleh karena itu, berbagai potensial dapat diasumsikan pada berbagai bagian awan. Jika proses pengisian dilanjutkan, besar kemungkinan bahwa bahwa gradient pada bagian-bagian tertentu dari daerah

dibebankan melebihi kekuatan kekuatan breakdown udara atau udara lembab di awan. Oleh karena itu breakdown local terjadi di dalam awan. Local discharge ini mungkin akhirnya mengarah pada situasi dimana muatan reservoer besar melibatkan masa yang besar dari awan yang menggantung diatas tanah,, dengan udara antara awan dan tanah sebagai dieelektrik. Ketika streamer discharge muncul ketanah dengan terlebih dahulu sambaran awal, diikuti dengan sambaran awal dengan arus yang cukup besar mengalir, sambaran petir mungkin dianggap sebagai sebuah nilai sumber arus Io dengan sebuah sumber impedansi Zo discharge ke tanah. Jika sambaran menyerang suatu objek impedansi Z,tegangan timbul diatasnya mungkin diangap sebagai

Sumber impendasi dari saluran petir tidak diketahui dengan jelas,tetapi diperkirakan sekitar 1000 sampai 3000 Ohm. Objek yang menarik untuk teknik elektro, yaitu saluran transmisi, dan lainnya memiliki impedansi gelombang kurang dari 500 Ohm (saluran udara 300 sampai 500 Ohm,kabel tanah 100 sampai 150 Ohm, menara 10 samapai 50 Ohm,dan sebagainya). Oleh karena itu nilai Z/Zo biasanya akan kurang dari 0,1 dan karenanya bisa diabaikan. Oleh karena itu, kenaikan tegangan saluran, dan sebagainya dapat diambil sekitar V = Io.Z, dimana Io adalah arus sambaran petir dan Z gelombanga impedansi saluran.

Jika sebuah arus sambaran petir serendah 10.000 Ampere menyambar sebuah salauran dengan impedansi 400 Ohm, maka menimbulkan tegangangan besar 4.000 kV. Ini merupakan kelebihan tegangan yang besar dan menyebabkan lompatan langsung pada saluran konduktor sepanjang saluran insulator.

Dalam kasus sambaran langsung terjadi diatas saluran transmisi tak berperisai, gelombang arus mencoba membagi mencadi dua cabang dan menjalar pada sisi saluran lainnya. Oleh karena itu gelombang impedansi efektif pada saluran seperti yang terlihat oleh gelombang adalah Zo/2 dan mengambil contoh diatas, yang disebabkan kelebihan tegangan yang hanya 10.000 x (400/2) = 2.000 kV. Jika saluran ini menjadi 132 kV saluran dengan sebelas 10 inci disc insulator string,rapatan dari insulator string akan berlangsung,seperti lompatan tegangan impuls dari string sekitar 950 kV untuk 2 μs di depan gelombang impuls.

Insiden sambaran petir pada saluran transmisi dan substasiun terkait dengan tingkat aktifitas badai petir. Ini berdasarka dari “hari badai petir” (TD/thunderstorm days ) dikenal dengan “ Isokeraunic Level” didefinisikan sebagai jumlah hari dalam setahun ketika petir terdengar atau terekam di lokasi tertentu. Tapi indikasi ini tidak sering membedakan antara sambaran tanah dan sambaran awan ke awan. Jika ukuran kerapatan lompatan tanah (Ng) diperoleh, maka jumlah lompatan tanah bisa dihitung dari tingkar TD. Dari catatan dan pengalaman masa lalu,ditemkan bahwa

Ng = (0,1 samapai 0,2) TD/sambaran /km2-tahun.

Hal ini melaporkan bahwa TD diantara 5 dan 15 di Britania, Eropa dan Pasifik Barat dari Amerika Utara,dan rentannya 30 sampai 50 di pusat dan bagian timur USA. Tingkatan yang lebih lebih dilaporkan dari Afrika Selatan dan Amerika Selatan. Tidak ada literature yang tersedia untuk perbedaan wilayah di India,tetapi nilai dari 30 sampai 50 dapat dipakai untuk wilayah pesisir dan bagian tengah India.