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 email: joinwan@ymail.com 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 bolabola 61,46%, pada elektroda jarum jarum 30,34% dan jarum piring 32,41%. Kata Kunci: dielektrik, breakdown, kekuatan dielektrik, konduktivitas 1. Pendahuluan 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. 2. 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 faktorfaktor 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 20 0 C, tekanan udara 760 mmhg dan kelembaban udara 11g/m 3 [2]. Hasil pengujian pada keadaan standar adalah : copyright DTE FT USU 1
K d = ( (1) Karena : δ = k d, maka Persamaan 1 dapat juga ditulis : V s =V b / 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 berjenisjenis. Nama dari butir hujan tergantung dari ukurannya. Dalam meteorologi, butir hujan dengan diameter lebih dari 0,5 mm di sebut hujan dan diameter antara 0,500,1 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: yang lebih lengkap dan sesuai pengujian yang hendak dilakukan. Gas ideal adalah gas yang hanya terdiri dari molekulmolekul netral, sehingga tidak dapat mengalirkan arus listrik. Sifat sifat listrik di udara pada keadaan standar pada suhu 20 0 C : Resistivity (ρ):1.3 10 16 3.3 10 16 (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]. v(d) = 3,86 D 0,67 (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 = σ E (4) Konduktivitas dinyatakan dengan σ dan didefinisikan sebagai perbandingan antara rapat arus (J) terhadap kuat medan listrik (E). copyright DTE FT USU 2
3. 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 seolaholah 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 3
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 hujan 1 meter, 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 rataratanya 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 410 diatas untuk pengujian elektroda jarum jarum dan elektroda jarum piring. 12. Lakukan kembali langkah 211 untuk pengujian diameter butiran hujan yang berbeda yaitu 1,5 mm, 2 mm, 2,5 mm, dan 3 mm. 13. Ulangi semua langkah (112) untuk pengujian jatuh hujan dengan ketinggian 2 meter dan 3 meter dengan mengatur jarak ketinggian jatuh tetesan hujan pada alat percoabaan. (a) (b) (c) Gambar 4. (a,b,c) Grafik Kondisi Keadaan Butiran Hujan di Ketinggian Hujan 1 Meter. Kondisi untuk ketinggian hujan 2 meter, ditunjukkan pada Gambar 5. copyright DTE FT USU 4
(a) (b) (b) (c) Gambar 6. (a,b,c) Grafik Kondisi Keadaan Butiran Hujan di Ketinggian Hujan 3 Meter (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 bolabola. 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 5
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. Tabel 4. Persentase Penurunan Tegangan Tembus Udara pada Ketinggian Hujan 3 Meter. 5. Kesimpulan 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 6
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., Dasardasar 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: ButterworthHeinemann, 2000. copyright DTE FT USU 7