EVALUASI SISTEM PROTEKSI EKSTERNAL DAN ANALISA RESIKO SAMBARAN PETIR PADA BANGUNAN

Transkripsi

1 EVALUASI SISTEM PROTEKSI EKSTERNAL DAN ANALISA RESIKO SAMBARAN PETIR PADA BANGUNAN Reynaldo Zoro, Arief Setyo Wibowo Laboratorium Teknik Teanan dan Arus Tini Institut Teknoloi Bandun, Jl. Ganesha 10 Bandun zoro@hv.ee.itb.ac.id Abstrak - Sambaran petir lansun dapat menimbulkan kerusakan pada banunan dan sambaran petir tidak lansun dapat merusak peralatan didalam banunan seperti; elektronik, komputer, komunikasi, dll. Untuk menurani resiko kerusakan ini dilakukan pemasanan sistem proteksi petir. Rancanan dan pemasanan sistem proteksi petir ditentukan oleh bentuk dan tini banunan dan karakteristik sambaran petir di lokasi banunan tersebut. Karakteristik sambaran petir yan sesuai adalah karakteristik sambaran petir yan diperoleh dari kondisi petir dilokasi tersebut. Penelitian dilakukan untuk mendapatkan keandalan sistem proteksi petir eksternal dan analisa resiko sambaran petir pada suatu banunan. Untuk membandinkan hasil evaluasi denan kenyataan dilapanan dilaksanakan eksperimen pada banunan tersebut denan pemasanan sistem penukuran petir pada edun yan diproteksi. Sistem proteksi yan dirancan terdiri dari finial atas, penhantar arus petir berisolasi, alat penhitun sambaran petir (Lihtnin Event Counter- LEC) dan alat ukur arus puncak petir denan pita manetik. Denan peralatan ukur ini titik sambaran pada baian-baian tertentu dari banunan dapat diketahui sehina sistem proteksi petir eksternal dapat dioptimalkan. Keyword data petir, analisa resiko, terminasi udara, sistem proteksi petir eksternal. 1. PENDAHULUAN Indonesia merupakan daerah denan hari uruh pertahun yan tertini didunia menurt buku Guinness of Records yakni berkisar antara hari uruh pertahun denan kerapatan sambaran petir ketanah (N) mencapai 30 sambaran per km 2 per tahun. Sambaran petir lansun dapat menyebabkan kerusakan banunan, peralatan, kebakaran bahkan korban jiwa, sedankan teanan lebih induksi yan disebabkan sambaran petir tidak lansun dapat mempenaruhi kinerja peralatan, umur pakai bahkan kerusakan peralatan. Hal ini dapat menimbulkan keruian yan besar, sehina dibutuhkan usaha untuk menurani resiko kerusakan akibat sambaran petir, yaitu denan sistem proteksi petir. Sistem proteksi petir pada banunan meliputi sistem proteksi petir eksternal dan internal, sistem proteksi petir eksternal berfunsi untuk menurani resiko terhadap bahaya kerusakan akibat sambaran lansun pada banunan yan dilinduni, sedankan sistem proteksi internal bertujuan untuk melinduni instalasi peralatan di dalam banunan terhadap teanan lebih akibat sambaran petir. Perancanan sistem proteksi petir dipenaruhi karakteristik banunan yan diproteksi dan karakteristik petir didaerah yan bersankutan. Dalam penelitian dilakukan evaluasi sistem proteksi eksternal yan ada dan terpasan di Gedun Pusat Antar Universitas (PAU) Institut Teknoloi Bandun (ITB), yan diambil sebaai obyek penelitian, denan karakteristik petir diperoleh dari data historis Jarinan Deteksi Petir Nasional (JADPEN) serta analisa resiko sambaran petir. Dari penelitian dapat ditentukan tinkat kehandalan sistem proteksi petir eksternal yan terpasan pada banunan, perhitunan besar resiko sambaran petir, serta dipasan peralatan penukur sambaran petir untuk mendapatkan hasil lapanan dari sambaran petir lansun ke banunan. 2. SAMBARAN PETIR LANGSUNG DAN TIDAK LANGSUNG Sambaran petir yan berbahaya bai struktur banunan dan peralatan didalam banunan meliputi; sambaran petir lansun kestruktur banunan, yan merusak banunan dan manusia. Sambaran petir tidak lansun yakni yan merusak peralatan didalam banunan melalui sambaran petir didekat struktur banunan yan akan menyebakan terjadinya induksi pada peralatan, sambaran petir yan masuk melalui saluran dari luar seperti, listrik, telepon, kabel data, pipa metal, dll dalam bentuk elomban berjalan, dan sambaran petir pada struktur yan akan menaikan teanan tanah dan merusak peralatan didalam banunan. Parameter sambaran petir diantaranya adalah kerapatan sambaran petir disuatu daerah, bentuk elomban arus, amplituda arus puncak, kecuraman arus, muatan arus, serta eneri arus petir. Parameter petir ini merupakan parameter lokal yan berbeda untuk setiap daerah dan sanat menentukan dalam perencanaan sistem proteksi petir yan baik untuk melinduni instalasi didaerah tersebut. Sistem proteksi petir merupakan keseluruhan instalasi yan berfunsi untuk melinduni objek terhadap bahaya akibat sambaran petir, baik sambaran petir lansun Semaran, Nopember 2008 C-29

2 maupun tak lansun, sistem proteksi petir meliputi sistem proteksi eksternal dan internal [3]. Sistem proteksi petir eksternal berfunsi untuk menerima sambaran petir secara lansun dan menalirkan arus petir melalui penhantar arus petir ke sistem pembumian ditanah denan aman, sistem proteksi petir eksternal meliputi sistem terminasi udara (air termination system), yan bertuas menerima sambaran petir, penhantar arus petir (down conductor) yan bertuas menalirkan arus petir ketanah denan aman dan sistem penetanahan (earthin system) yan akan membuan arus petir ditanah denan aman. Beberapa metode desain sistem terminasi udara telah diperkenalkan, yan bertujuan untuk menentukan lokasi terminasi udara yan efektif. Beberapa metode telah direkomendasikan oleh standar antara lain metode sudut lindun ( protective anle method ), metode jarin (mesh method ), dan metode bola elindin (rollin sphere method ) [6]. Metode sudut lindun merupakan metode yan pertama kali diperkenalkan, pada metode ini seluruh komponen sistem terminasi udara; finial batan teak, anyam penhantar datar dan finial penhantar datar harus diletakkan sehina seluruh baian dari struktur yan diproteksi berada didalam permukaan yan dibentuk dari proyeksi titik puncak terminasi udara ketanah denan sudut α dari aris vertikal keseala arah. Metode sudut proteksi mempunyai batasan eometri. Metode jarin jua dikenal denan metode sankar faraday, pada metode ini finial batan teak, konduktor atap, harus membentuk polion tertutup. Polion finial ini harus dilenkapi denan penhantar melintan yan menhubunkan finial sehina membentuk jarin denan ukuran sesuai denan tinkat proteksi, baian loam dan instalasi harus terletak dibawah jarin finial. menunakan persamaan jarak sambar Brown dan Whitehead, sebaai berikut: r s = 6.7 I 0.85 ( m ) (1) Keaalan perisaian terjadi ketika sambaran petir menenai banunan yan dilinduni, fenomena ini banyak dipelajari pada saluran transmisi. Gambar 2.1 menunjukkan model yan disederhanakan dari mekanisme keaalan perisaian dari satu kawat tanah dan satu kawat fasa. Bila sambaran petir mendekat pada jarak S dari saluran dan bumi, sambaran petir itu akan dipenaruhi oleh benda apa saja yan berada di bawah dan melompati jarak S untuk menadakan kontak denan benda itu. Jarak S merupakan jarak sambar, yan dapat ditentukan denan persamaan Brown dan Whitehead, dan ini adalah konsep dari teori elektro eometris. X s merupakan lebar daerah yan tidak terlinduni dimana sambaran petir akan menenai kawat fasa. Lebar daerah yan tidak terlinduni adalah : Bila βs > h Φ X S(cos sin( )) (2) s dimana : S h arcsin( ) S s (3) F arccos( ) (4) 2 S X S arctan( Y X Y ) (5) denan : Gambar 2.1 Perisaian tidak sempurna Metode bola elindin pertama kali diperkenalkan dalam standar proteksi petir Honaria pada tahun 1962, teori bola elindin didasarkan bahwa titik sambar petir ditentukan setelah downward leader mendekati tanah atau struktur sejauh jarak sambar dan petir menyambar objek terdekat dari titik orientasi sehina posisi terburuk adalah pada pusat bola. Radius bola elindin dapat ditentukan denan X Ф = koordinat horisontal kawat fasa (m) Y Ф = koordinat vertikal atau tini rata rata kawat fasa (m) X = koordinat horisontal kawat tanah (m). Y = koordinat vertikal atau tini rata- rata kawat tanah (m). F = jarak antara kawat fasa denan kawat tanah (m) α = sudut lindun sebenarnnya ( ) Bila βs < h Φ X s S( 1 sin( w)) (6) Perisaian sempurna terjadi bila X s = 0, sehina sambaran yan terjadi dalam koridor busur akan menyambar kawat tanah. Untuk mencapai hal ini, posisi Semaran, Nopember 2008 C-30

3 kawat tanah dieser menjadi X sehina diperoleh sudut lindun efektif (α E ) sebesar X E arctan( ) Y Y (7) Arus petir yan terinjeksi keelektroda pentanahan akan menyebar secara radial didalam tanah, sehina akan menyebabkan terjadinya elevasi teanan pada elektroda yan berada disekitarnya. Elevasi teanan pada sebuah elektroda yan berada didekat sebuah elektroda lainnya yan teraliri arus petir dinyatakan denan hubunan.i Gz L, y, x Gz, y, x V (10) dimana : 4LM G(z 2D, y, x) G(z 2D L, y, x) a b, c G a M, b, c G a, b c G, (11), 1 1 Gambar 2.2 Perisaian sempurna Analisa resiko sambaran petir dilakukan berdasarkan standar IEC 1662, denan asumsi Np << 1 dan waktu observasi satu tahun diperoleh R d Np (8) Formula yan akan diunakan untuk perhitunan resiko setiap jenis kerusakan akibat sambaran petir. Denan : R d = resiko kerusakan akibat sambaran petir N = kerapatan sambaran petir pertahun yan berpenaruh pada edun dan peralatan didalamnya. Parameter ini berantun pada kerapatan sambaran petir awan tanah, ukuran banunan dan karakteristik linkunan disekitarnya, serta karakteristik dari saluran masukan. p = probabilitas kerusakan pada banunan, yan dipenaruhi oleh karakteristik banunan, karakteristik permukaan tanah didalam dan diluar banunan, isi banunan, karakteristik instalasi didalamnya, karakteristik saluran masukan serta proteksi yan tersedia. δ = koefisien yan menyatakan kemunkinan keruian lebih lanjut, yan dipenaruhi oleh penunaan banunan, jumlah dan waktu kedatanan oran keedun, jenis pelayanan yan diberikan kemasyarakat, serta faktor yan meninkatkan jumlah kerusakan karena bahaya khusus. dan a b, c a a a b c G1, ln c denan : ρ i L M D a b (12) = tahanan jenis tanah (Ω.m) = arus puncak petir (ka) = panjan elektroda pentanahan 1 (m) = panjan elektroda pentanahan 2 (m) = kedalaman ujun atas elektroda dari permukaan tanah (m) Koplin kapasitif antara penhantar penhantar dalam satu selubun kabel dapat menimbulkan teanan lebih, untuk menurani anuan akibat koplin kapasitif dilakukan pemasanan perisai yan menyelubuni kedua sistem dan ditanahkan sehina tidak terjadi beda potensial Radiasi medan manetik dan elektrik yan dipancarkan impuls arus petir yan menalir pada penhantar arus dapat menyebabkan teanan lebih pada instalasi. 3. PARAMETER SAMBARAN PETIR Teanan lebih pada sistem teanan rendah dan peralatan elektronik dapat disebabkan oleh induksi elektromanetik, elevasi teanan, koplin kapasitif, dan radiasi. Arus petir yan menalir pada hantaran arus petir menimbulkan teanan jatuh ditahanan pentanahan sebesar Gambar 3.1 Parameter Arus Puncak dan Polaritas Arus V I. (V) (9) E R st Semaran, Nopember 2008 C-31

4 Gedun PAU ITB sebaai obyek penelitian ini terletak di latitude LS dan lonitude BT, secara eorafis berada dicekunan Bandun yan dikelilini peununan serta menalami dua musim pertahun. Penaruh anin monsun Asia yan banyak membawa awan petir dan monsun Australia yan kerin jua dirasakan oleh banunan ini.hasil penelitian karakteristik sambaran petir selama periode denan menunakan data petir dari JADPEN menunjukkan bahwa kerapatan sambaran petir awan ketanah rata - rata sebesar 7.06 sambaran/ km 2 / tahun. Evaluasi sistem terminasi udara dan menara diatas atap edun dilakukan denan metode bola elindin. Metode ini diunakan karena dimensi edun yan cukup besar dan kompleks, denan radius bola elindin diperoleh dari persamaan jarak sambar sebaai funsi dari arus puncak. Tabel 3.1 Dimensi Gedun PAU ITB Tini Lebar Panjan Kelilin atap Luas atap 40.8 m 43.2 m 72.6 m m m 2 Untuk level proteksi maksimum 98 % maka diperoleh arus puncak sebesar ka dari kurva distribusi arus puncak yan diperoleh dari parameter petir lokal, sehina radius bola elindinnya 0, r s 6,7. I 6,7.(12,72) 58.3 m (13) Gambar 3.2 Statistik frekuensi sambaran petir harian Pola variansi harian pada Gambar 3.2 menunjukkan bahwa sambaran petir mulai pada sian hari sekitar pukul 11 sian, kemudian menalami kenaikan dan mencapai puncak badai sambaran sekitar pukul sian, siklus harian ini berkaitan denan siklus penyinaran matahari. Gambar 3.4 Daerah lindun terminasi udara untuk level proteksi 98 % tampak depan Gambar 3.3 Statistik sambaran petir bulanan Statistik sambaran petir bulanan menunjukkan bahwa daerah sekitar edun PAU ITB menalami dua kali siklus petir setiap tahun, siklus pertama merupakan sambaran tertini pada musim pancaroba I, yakni bulan maret, april dan mei, sedankan siklus kedua pada musim pancaroba ke II yakni september, oktober dan November. Sedankan bulan Desember, Januari dan Februari adalah musim hujan denan intensitas petir lebih sedikit. 4. SISTEM PROTEKSI PETIR EKSTERNAL TERPASANG Gambar 3.5 Daerah lindun terminasi udara untuk level proteksi 98 % tampak sampin Evaluasi sistem terminasi udara denan metode bola elindin untuk level proteksi 98% (level I), diperoleh banunan dalam kondisi terperisai sempurna denan titik yan mempunyai kemunkinan terkena sambaran lansun terbesar adalah menara radio 8EH. Untuk batan finial teak yan mempunyai kemunkinan terkena sambaran lansun tertini adalah dipinir sebelah selatan atap edun, serta pinir sebelah utara dilantai ketujuh. Penhantar arus petir vertikal yan terpasan pada edun berjumlah lima buah BC 70 mm 2, sedankan menurut Semaran, Nopember 2008 C-32

5 standar untuk edun denan bentuk asimetris denan kelilin atap m maka dibutuhkan minimal 10 penhantar arus petir. Sehina diperlukan penambahan penhantar arus petir. terpasan aar dapat menurani resiko kerusakan akibat penaruh sambaran petir. Resiko yan besar ini disebabkan karena didalam dan diatas atap Gedun PAU ITB terdapat instalasi peralatan yan berfunsi vital bai keiatan kampus, antara lain Stasiun Radio, Telekomunikasi, pusat komputer AI3 dan sejumlah laboratorium penelitian. Analisa teanan lebih dilakukan karena berdasarkan perhitunan besar resiko sambaran petir, diperoleh untuk tipe kerusakan kedua besar resiko kerusakan melebihi batas standar yan dapat diterima denan probabilitas penyebab kerusakan terbesar disebabkan karena teanan lebih akibat sambaran lansun yan menakibatkan elevasi teanan ( p od ). Tabel 4.2 Probabilitas kerusakan Gambar 3.6 Daerah lindun terminasi udara untuk level proteksi 98% tampak atas Sistem penetanahan edun berupa elektroda vertikal dan rin konduktor horisontal, sistem penetanahan ini terhubun denan jarinan penetanahan internal. Sistem penetanahan ruan enerator terpisah denan sistem penetanahan edun, hal ini berbahaya karena bila terjadi sambaran pada banunan maka akan timbul perbedaan teanan dielektroda penetanahan ruan enerator. Dari perhitunan diperoleh elevasi teanan dielektroda pentanahan enerator = kv. Elevasi teanan ini cukup berbahaya bai peralatan elektronika diruan. 4. ANALISA RESIKO Analisa resiko sambaran petir pada Gedun ini dilakukan denan menacu pada standar IEC , hasil yan diperoleh adalah : Tabel 4.1 Resiko sambaran petir Tipe kerusakan 1 2 R d Hasil perhitunan resiko sambaran petir edun PAU ITB menunjukkan bahwa untuk tipe kerusakan pertama yaitu kemunkinan korban jiwa baik akibat sambaran lansun maupun sambaran tak lansun, diperoleh nilai dibawah batas standar resiko yan dapat diterima yaitu 10-5 sehina secara teoritis kemunkinan kehilanan korban jiwa sanat kecil. Analisa resiko kerusakan tipe kedua yaitu kehilanan pelayanan terhadap publik diperoleh nilai resiko diatas batas resiko minimal yan ditetapkan yaitu 10-3, sehina diperlukan proteksi tambahan terhadap peralatan yan P h P fd P fi P od P oi Apabila terjadi sambaran lansun pada menara denan antena diatap edun, maka pada kabel koaksial yan terpasan akan menalir arus sambaran petir, arus yan menalir pada kabel koaksial dapat menyebabkan teanan lebih konduksi pada kabel koaksial. Besar teanan lebih konduksi ini berantun dari koplin resistansi kabel koaksial dan impedansi menara. Tabel 4.3 Teanan lebih konduksi pada kabel koaksial Sambaran lansun ke Menara I t (ka) I k U k (kv) (ka) A A A A Selain teanan lebih konduksi, saat terjadi sambaran lansun pada struktur menara diatap, jua akan timbul teanan lebih induksi pada elun yan terbentuk antara kabel koaksial denan menara. Dari hasil analisa diperoleh teanan lebih yan munkin muncul pada kabel koaksial pada saat terjadi sambaran lansun kesistem menara dalam orde kilo volt terdiri dari teanan lebih konduksi dan induksi, teanan sebesar ini sanat berbahaya bai peralatan elektronik yan terhubun denan kabel, karena ketahanan komponen elektronika sebesar V. Tabel 4.4 Teanan lebih induksi pada kabel koaksial Menara D(mm) d(mm) L(nH/m) U i (kv) A A A A Semaran, Nopember 2008 C-33

6 Hal ini jua dibuktikan denan data kerusakan peralatan didalam edun, tercatat dua kali kerusakan pada mixer radio 8EH dan switch AI3, dimana kedua peralatan tersambun melalui kabel ke antena diatap edun. 5. PENGUKURAN SAMBARAN PETIR Penukuran lapanan sebaai kelanjutan dari penelitian dilakukan denan pemasanan sistem penukuran arus petir. Lama penelitian direncanakan sepuluh tahun sehina diperoleh statistik yan valid untuk analisa. Salah satu hasil dari penukuran ini adalah efektifitas proteksi eksternal yan terpasan dan pembuktian teori Bola Gelindin yan saat ini masih diacu oleh Standar Internasional. Penukuran sambaran petir dilakukan denan menunakan peralatan penukur arus puncak sambaran petir (APM) dan penukuran jumlah sambaran petir (LEC). Alat ini dipasan didalam box yan diletakan pada down condutor dari penankal petir yan telah ditentukan. Gambar 5.2 Daerah tankapan dari finial uji tampak depan dari Metoda Intensitas Kuat Medan Maksimum Gambar 5.3 Luas Tankapan dari kedua finial uji tampak atas dari Intensitas Kuat Medan Maksimum Gambar 5.1 Gedun PAU-ITB denan alat ukur sambaran petir diatap edun Pada periode tertentu finial atas akan dianti denan finial yan menunakan metoda dimana penentuan posisi finialnya didasarkan pada intensitas kuat medan maksimum. Untuk metoda Intensitas Kuat Medan Maksimum ini mempunyai tinkat proteksi 98% denan daerah tankapan seperti Gambar 5.2 dan 5.3. Gambar 5.4 Alat Ukur APM dan LEC didalam panel Dikaki menara penelitian dipasan panel penukuran yan berisi LEC dan APM, kedua peralatan terpasan pada batan tembaa yan terhubun denan kabel penhantar arus petir. Semaran, Nopember 2008 C-34

7 o o 6. KESIMPULAN Dari hasil penelitian maka dapat disimpulkan sebaai berikut:secara teoritis, untuk level proteksi 98% sistem terminasi udara yan ada cukup efektif untuk melinduni edun PAU ITB dari kemunkinan sambaran lansun dan teori ini akan dibuktikan denan penukuran lapanan. Resiko sambaran untuk tipe kerusakan kedua melebihi batas resiko standar yan dapat diterima, yaitu R = , sehina dibutuhkan sistem proteksi internal. Sambaran petir disekitar PAU ITB mempunyai karakteristik dan pola sambaran daerah peununan denan tinkat keserinan sambaran relatif tini sehina penelitian janka panjan cukup baik. o Sambaran lansun kesistem menara diatap edun menyebabkan teanan lebih pada kabel koaksial, teanan lebih ini dapat membahayakan peralatan yan terhubun ke kabel koaksial. 7. DAFTAR PUSTAKA 1. Sirait, K.T, Zoro, R. Proteksi Sistem Tenaa, Jurusan elektroteknik ITB, Bandun, Hasse, P. Overvoltae Protection of Low Voltae Systems Verla, Jerman, Sytandard IEC International Standard : Protection Aainst Lihtnin Electromanetic Impulse IEC Publication, Zoro, Reynaldo dan Pakki, Rustam R. Guideline And Procedure In Desin, Construction, Maintenance, And Inspection Of Lihtnin Protection System. LAPI ITB, Bandun, Alessandro, F. D, The Development Of The Three Dimensional Collection Volume Method As An Improved Electroeometric Model For The Protection Of Structures, ICLP 2000, Greece, Horvath, T. Rollin Sphere Theory And Application, ICLP 2000, Greece, Hartono, ZA dan Robiah, I. Optimum Desin Of Lihtnin Protection System In A Clustered Buildin Environment, ICLP 2002, Poland, Hartono dan Robiah, The Collection Surface Concept As A Reliable Method For Predictin The Lihtnin Strike Location. ICLP 2000, Greece, Strandar IEC Technical Report : Assessment Of The Risk Of Damae Due To Lihtnin, IEC Publication, Gillespie J.A, A Practical Method For The Assessment And Manaement Of Risk Due To Lihtnin For Structures In Australia And New Zealand, ICLP 2002, Poland, Santosa, Adi, Proteksi Teanan Lebih Petir Pada Peralatan Elektronik. Tuas akhir Jurusan Teknik Elektro ITB, Bandun, Zoro.R, Mefiardhi.R, Sistem Proteksi Petir Pada Menara Telekomunikasi, Evaluasi Ganuan & Perbaikan SENATRIK , Bandun BIOGRAFI Reynaldo Zoro lahir di Sawahlunto pada 30 September Meraih elar sarjana Teknik Elektro dari Institut Teknoloi Bandun pada tahun Meraih elar Dipl. In. dari Technical Univesity of Munich pada tahun Pada tahun 1999 dia meraih elar Doctor di bidan Science dari Proram Pasca Sarjana ITB setelah menyelesaikan disertasinya yaitu Karakteristik Petir dan Kondisi Cuaca di Daerah Tropis Kasus di Gn. Tankuban Perahu Indonesia dalam sandwich proram denan TU Munich, Jerman Dr. Zoro adalah penajar senior di Departemen Teknik Elektro ITB sejak Sejak tahun 2003 menjabat sebaai Kepala Laboratorium Teknik Teanan dan Arus Tini ITB dan jua sebaai Kepala Stasiun Penelitian Petir di Gn Tankuban Perahu yan dimiliki dan dioperasikan oleh ITB. Merupakan anota IEC TC 81 : Lihtnin sejak 1995 dan anota CIGRE sejak Zoro adalah peneliti senior dibidan Lihtnin Protection and Detection System, Tropical Lihtnin dan Atmospheric Electrodynamics dan bekerjasama denan peneliti Perancis, Jerman dan Amerika Semaran, Nopember 2008 C-35