Introduction and Lightning Mechanism

Transkripsi

1 Introduction and Lightning Mechanism

2 Introduction Business, industry and public institution depend on electronic data engineering. Electronic data processing (EDP) systems, measuring system, telecommunications, instrumentation and control are all parts of the modern society. The future lies in the computer integrated factory or in the computer-integrated business and administration

3 Everywhere, computers in local banks or businnes are connected to the computing center. This networked world, with its growing flow of information, is, however, severly hindered by interference or damages to the essential transmission system in the telephone and data networks, as well as at terminals. This system can quickly lead to CATSTROPHE if the system fail.

4 A study highlighted the seriousness of the situation Without EDP banks will survive for days Sales oriented enterprise 3.3 days Manufacturers 4.9 days Insurance company days Many business sectors days Nine out of ten enterprises will close if the computer fails for two weeks

5 The most frequent reason for the failure of such electronics system is that disturb the flow of data and destroy electronic equipment. Risk can be controlled by measures : This specify conditions under which any kinds of electric equipment do not disturb each other and also where electromagnetic phenomena, for example, lightning discharge will not disturb their function.

6 Among the threats from the electromagnetic environment, is the most important and therefore this determines to a great extent the protective measures that must be undertaken in the frame work of EMC. Therefore, modern lightning protection does not only mean protection of buildings but especially the protection of those devices inside the buildings

7 Lightning threat ABC Company MCR 110 kv 2 km km Data 400/230 V TV Telephone Mobile phone

8 a special electromagnetic source of interference

9 Lightning Discharge at Lembang Area - Bandung

10 Lightning Intra Cloud Cloud to Ground

11 Backgrounds. Indonesia terletak pada khatulistiwa yang mempunyai hari-guruh sangat tinggi dengan aktivitas 100 sampai 200 hari-guruh per tahun. Industri di Indonesia menggunakan semakin banyak peralatan dan sistem yang canggih menggunakan komponen elektronik dan mikroprosesor dan sangat sensitif terhadap PEdP (Pulsa Elektromagnetik dari Petir) atau LEMP (Lightning Electromagnetic Pulse) Karakteristik petir di Indonesia yang tidak sama dengan karakteristik petir di luar negeri yang dijadikan standar oleh Badan Standarisasi dunia pada umumnya.

12 Backgrounds. (Cont d) Sangat sedikitnya informasi tentang Sistem Proteksi Petir dan Standar yang digunakan Sistem Pendeteksi Sambaran Petir khususnya di negara tropis seperti Indonesia sehingga sangat kurangnya Awareness atau kesiagaan terhadap kemungkinan bahaya petir. Banyaknya instalasi-instalasi penting dan berbahaya yang menjadi target mudah (easy target) bagi sambaran petir karena strukturnya yang tinggi dan pada lokasi yang terbuka.

13 Apa Pengaruh Petir pada masyarakat modern??

14 Lightning on modern society Modern Society Production Function : Man Power and Equipment, Safety, Security and reliability CB Cloud CB Cloud Infrastructure Facilities, Electric Power, Telecommunication, Data Processing, Instrumentation, Control PREVENTION Damage Destructions Lightning Characteristics Single Simultaneous Panic Catastrophic Lightning Protection System 1. External Protection 2. Internal Protection Lightning Detection System 1. Real Time : Detection Process, Emergency Planning, Safety, Prediction 2. Historical : LPS Design, Fault Analysis, Reliability, Preventive Maintenance

15 Fungsi sosial masyarakat modern bandar udara dan pelabuhan laut jalan tol rumah sakit sistem telekomunikasi pembangkitan, pengaturan, penyaluran dan pendistribusian tenaga listrik intelligent building (berbasis mikroprosesor) pada gedung-gedung tinggi, pusat pengolahan data beserta jaringannya sistem kontrol pada mesinmesin industri stasiun relay radio, televisi dengan tower dan stasiun bumi, sistem pertahanan militer instalasi lain dengan peralatan yang menggunakan komponen elektronik dan mikroprosesor

16 Fenomena petir di daerah tropis

17 Proses terbentuknya awan petir Dibutuhkan udara naik (Up-draft) keatas akibat pemanasan permukaan tanah atau sifat orografis permukaan tanah Dibutuhkan partikel aerosol (mengambang) yang hygroskopis (menyerap air) dari garam laut atau partikel industri yang naik bersama up-draft Dibutuhkan udara lembab yang naik keatas untuk pembentukan partikel es (hailstone) di awan

18 Pembentukan sel bermuatan listrik pada awan petir KM 15,0 12,5 10,0 0 C -30 7,5 5,0 0 2, t

19 Cumulonimbus (Mature)

20 Formasi dasar terjadinya petir Terjadi pembentukan muatan negatif di dalam awan Terjadi peningkatan kuat medan listrik Muatan positif akan terbentuk dan berkumpul dipermukaan tanah Terjadi ionisasi yang menghasilkan petir melangkah

21 Formasi dasar terjadinya petir Petir dari awan terus melangkah ke tanah Kuat medan pada ujung struktur diatas tanah terus meningkat Terjadi aliran muatan positif yang kuat dari atas struktur ditanah Aliran muatan bergerak cepat menuju keawan.

22 Bagaimana petir terbentuk? Leader & streamer bertemu pada lompatan akhir, sekitar meter Return stroke melalui jalur yg sudah terionisasi Total muatan yang dipindahkan pada sambaran balik sekitar coulomb dalam detik Petir ikutan melalui jalur yang sama

23 Formasi dasar terjadinya petir Aliran muatan positif keatas bertemu dengan ujung lidah petir yang melangkah ketanah Membentuk alur muatan listrik Alur muatan Listrik disebut "return stroke" Terlihat cahaya Petir

24 Pertumbuhan muatan di ujung lidah petir dan di tanah PUSAT MUATAN NEGATIF PADA AWAN BERMUATAN LIDAH PETIR DENGAN INTI PLASMA r PETIR PENGHUBUNG MUATAN POSITIF YANG DIINDUKSIKAN

25 Pergerakan lidah pelopor dari awan ke tanah PUKULAN BALIK (RETURN STROKE) PETIR LOMPAT (STEPPED LEADER) PENANGKAL PETIR KAMERA DENGAN FILM DIAM KAMERA DENGAN FILM BERGERAK WAKTU, t

26 Strike! Stepped Leader Downward Leader Return Stroke Competing Upward Leader

27 Lightning Flash Source: Dr. Tokyo Reynaldo Lightning Zoro Protection Power and Engineering EarthingGroup, System School Corporation of Electrical Engineering and Informatics, Institute of Technology Bandung

28 Talk about lightning.. Facts : A strike can average 100 million volts of electricity and current of up to 200,000 amperes Can generate o C (hotter than a sun, yet created by ice) Why Lightning? Can strike every where : lightning strikes somewhere on the Earth every second and can strike ground up to ten miles from a storm Lately, the use and development of electronics and microprocessors based system in modern society are increase : small size low insulation level highly potential to be destructed by lightning electromagnetic impulse Why Indonesia? Indonesia is a tropical archipelago with the highest lightning activity in the world : Guinness Book of Records - Weather Records Thunder Days (Year):(m) World 322 days, Bogor (formerly Buitenzorg), Java, Indonesia

29

30 Kenapa ada petir? Electrosphère 50km beau temps Cumulonimbus beau temps 300kV pluie effet couronne Terre Sirkuit listrik global

31 Thunderstormdays Atau Hari guruh

32 Hari guruh Jumlah sambaran petir dihitung dengan berapa hari guruh terdengar dalam satu tahun dan dinyatakan dengan hari guruh atau thunderstorm days Tempat-tempat yang mempunyai hari guruh yang sama dihubungkan dengan satu garis pada peta yang disebut sebagai isokeraunic level

33 Hari guruh (Cont d) Isokeraunic level ini dipetakan oleh badan meteorologi dunia dan juga oleh Badan Meteorologi dan Geofisika Indonesia Hari guruh maksimum di beberapa negara : Eropa : 30 hari guruh Amerika : 100 hari guruh Jepang : 80 hari guruh Korea : 80 hari guruh Australia : 80 hari guruh! "#$

34

35 Peta hari guruh dunia berdasarkan WMO/OMM-1956

36 Peta hari guruh di Eropa

37 Peta hari guruh di USA

38 Lightning Flash Density atau Kerapatan sambaran petir

39 Kerapatan sambaran Seiring dengan perkembangan teknologi deteksi petir, parameter hari guruh hampir tidak digunakan lagi Kerapatan sambaran (Ground Flash Density GFD atau Number Flash to Ground Ng) adalah jumlah sambaran petir ke tanah per kilometer persegi per tahun Data GFD ini lebih akurat dari hari guruh, yang hanya menghandalkan pengamatan langsung semata Data GFD dapat diperoleh dari Teknologi Lightning Detection System (LPATS)

40 - PT.CALTEX PACIFIC INDONESIA Kerapatan Kejadian Petir tahun 2001

41 LAPI ITB - PT.CALTEX PACIFIC INDONESIA Stroke Flash Density Analysis!" # $%&'() *+,-

42 Kerapatan sambaran (Cont d) Peta GFD suatu daerah

43 JADPEN t 1, d 1 t 2, d 2 t 3, d 3 RR2 RR1 RR3

44 The Future Indonesian Lightning Detection Network (JADPEN) Palapa B 2R GPS - USA

45 1 SENSOR 2 SENSOR 3 SENSOR LAPI ELPATSINDO HEADQUARTERS JAKARTA NETWORK MONITOR FUZZY CONTROLLER CENTRAL ANALYZER AND FORMAT NETWORK ARCHIVE BUFFERS LINTASARTA LINTASARTA CENTRAL ANALYZER LE RIP CAP BUFFERS BUFFERS HUB SATION LA STORE DEMO DIAL-IN 1 14 SENSOR CUSTOMER DIAL-IN SENSOR SENSOR CUSTOMER BACK-UP MODEM SERVICES 16 TIS PORTS CUSTOMER BACK-UP RECEIVER STATION DEMODULATOR VIS DISPLAY MODEM CUSTOMER'S FACILITY

46 Global lightning worldwide 1999

47 Lightning activity over Asia

48 Beberapa pendekatan dalam studi petir Laboratory : Long Sparks Modeling : Numerical Simulation Triggered Lightning : Rocket Initiated Lightning Observation in situ : Natural Lightning Electromagnetic Measurement : Lightning Detection or Location System

49 Laboratory Test

50 Triggered Lightning

51 Gn. Tangkuban Perahu

52 Stasiun Pengukuran Petir ITB Natural Lightning

53 Stasiun Pengukuran Petir Prof. Karl Berger, di Mt San Salvatore, Switzerland

54 Lightning Detection

55 Parameter petir Arus petir yang mengalir ke bumi atau objek diatas tanah tidak dipengaruhi oleh objek yang disambarnya Parameter petir didapatkan melalui pengukuran arus petir di lapangan Parameter petir bermanfaat untuk batasan besaran-besaran serta ukuran peralatan proteksi yang harus di desain

56 1 st Parameter Maximum Lightning Current, i [ka] : This parameter cause a voltage drop on stroked object resistances, i.e. grounding resistance, tower impedance I Û E = Î.R st R st Î t

57 2 nd Parameter Discharge Capacity, Q = i dt [kas]: This parameter is sum of energy capacity of on striking point where lightning current shown as fire spark on material, causes i.e., melted lightning rod, puncturing phenomenon on airplane aluminum body, tank or metal sheet

58 3 rd Parameter Impulse Force, E = i 2 dt [ka2s]: This parameter responsible of the heat and electrodynamics force on conductor or structure where the lightning current flown

59 4 th Parameter U L = L di/dt Maximum Current Steepness, di/dt [ka/µs]: This parameter responsible to the inductive voltage drop on conductor or wire loop in a network or construction

60 Statistik arus puncak 4 5 Europe by Karl Berger, measured at Mt San Salvatore, Switzerland : (1) petir pertama total, (2) petir negatif, (3) petir positif. Indonesia by Reynaldo Zoro, measured at Mt Tangkuban Perahu : (4) petir negatif, (5) petir positif

61 Statistik kecuraman arus petir % ' & (1) Europe by Karl Berger, measured at Mt San Salvatore, Switzerland. (2) Indonesia by Reynaldo Zoro, measured at Mt Tangkuban Perahu

62 Oscillogram arus petir (A) Oscillogram arus petir negatif dengan 5 petir ikutan (A) dan oscillogram arus petir positif (B) (by Karl Berger, Mt San Salvatore, Switzerland) (B)

63 Oscillogram arus petir (Cont d) (B) (A) Oscillogram arus petir positif (A) dan oscillogram arus petir negatif (B) (by Jaringan Deteksi Petir Nasional, Indonesia)

64 Oscillogram arus petir (Cont d) Terpa petir standard IEC 60-2/1973 Bentuk terpa dinyatakan dengan t f /t h, dimana t f adalah waktu muka dan t h adalah waktu punggung Bentuk tegangan terpa petir adalah 1.2/50 µs Bentuk arus terpa petir adalah 8/20 µs

65 Lightning current components ± i - i ± i t t t Lightning Current of the First Stroke 200 ka 10/350 µs Lightning Current of Subsequent Strokes 50 ka 0.25/100 µs Lightning Current of Long Duration Stroke 400 A 0.5 s 1095e

66 Lightning Current parameters of the First Stroke Current parameters (see figure 1 (1.2b)) Protection level I II III - IV Peak current I (ka) Front time T 1 (µs) Time to half value T 2 (µs) ) Charge of the short duration stroke Q s (C) Specific energy W/R 2) (MJ/Ω) 10 5,6 2,5 1) Since the substantial part of the total charge Q s is contained in the first stroke, the charge of all short duration strokes is considered to be incorporated in the given values. 2) Since the substantial part of specific energy W/R is contained in the first stroke, the specific energy of all short duration strokes is considered to be incorporated in the given values.

67 Contoh data petir di Indonesia

68 Zoro, R., Karakteristik Petir dan Kondisi Cuaca di Daerah Tropis Kasus Gn. Tangkuban Perahu, Disertasi Doktor, Insitut Teknologi Bandung, September Karakteristik Petir Polaritas Negatif Polaritas Positif Arus Puncak ) ( i Maksimum Tangkuban Perahu 280 ka 298 ka Jawa Barat 335 ka 392 ka Probability 50 % 40 ka 18 ka Rata-rata 41 ka 30 ka Kecuraman (di/dt) Maksimum 119 ka/µs 120 ka/µs Probability 50 % 30 ka/µs 20 ka/µs Kerapatan Sambaran (sambaran/km 2 /tahun) 4,1 12,4 1,5 3,8 Kerapatan Sambaran Total (sambaran/km 2 /tahun) 7,9 15,5

69 Distribusi arus puncak di Depok