BAB II PEMAHAMAN TENTANG PETIR 2.1 Pendahuluan Petir terjadi akibat perpindahan muatan negatif menuju ke muatan positif. Menurut batasan fisika, petir adalah lompatan bunga api raksasa antara dua massa dengan medan listrik berbeda. Prinsip dasarnya kira-kira sama dengan lompatan api pada busi. Petir adalah hasil pelepasan muatan listrik di awan. Energi dari pelepasan itu begitu besarnya sehingga menimbulkan rentetan cahaya, panas, dan bunyi yang sangat kuat yaitu guntur atau halilintar. Guntur atau halilintar ini dapat menghancurkan bangunan, membunuh manusia, dan memusnahkan pohon. Sedemikian raksasanya sampai-sampai ketika petir itu melesat, tubuh awan akan terang dibuatnya, sebagai akibat udara yang terbelah, sambarannya yang rata-rata memiliki kecepatan 150.000 km/detik itu juga akan menimbulkan bunyi yang menggelegar. Di lain kesempatan, ketika akumulasi muatan listrik dalam awan tersebut telah membesar dan stabil, lompatan listrik (eletric discharge) yang terjadi pun 4
5 akan merambah massa bermedan listrik lainnya, dalam hal ini adalah Bumi. Besar medan listrik minimal yang memungkinkan terpicunya petir ini adalah sekitar 1.000.000 volt per meter. 2.2 Proses Terjadinya Petir Pertama akan terjadi pemampatan muatan listrik pada awan yang bersangkutan. Umumnya, yang menumpuk di bagian paling atas awan adalah listrik muatan negative, di bagian tengah adalah listrik bermuatan positif, sementara di bagian dasar adalah muatan negatif yang berbaur dengan muatan positif. Pada bagian bawah inilah petir biasa berlontaran. Secara garis besar proses terjadinya petir adalah sebagai berikut : - Setelah terjadi pemampatan muatan listrik pada awan, maka akan terbentuk awan petir atau yang biasa disebut cumulonimbus. - Terjadi pengumpulan muatan ion negatif pada dasar awan yang akan menginduksi ion positif bumi - Ketika beda potensial antara awan dan bumi mencapai batasnya, maka bagian yang bermuatan yang biasa disebut leader stroke akan bergerak dari awan ke bumi. - Leader stroke ini memiliki kecepatan antara 10 5-2 x 10 5 m/s dan bergerak dalam pola zig zag. Ketika leader stroke mencapai bumi akan terjadi sambaran balik atau biasa disebut return stroke yang mempunyai kecepatan sekitar 10 8 m/s dan berlangsung sekitar 100 µs. Return stroke bergerak dalam pola yang sama dengan leader storke tetapi dengan arah yang berbeda yaitu dari bumi ke awan. Koneksi antara bumi dan awan akan menyebabkan pelepasan muatan. Pelepasan
6 muatan inilah yang sering kita sebut petir. - Sekitar 40 µs setelah return stroke biasanya akan terjadi sambaran susulan yang biasa disebut darl leader yang bergerak dalam pola yang sama dengan sambaran yang pertama. Darl leader ini lebih cepat dan tidak bercabang, terjadi karena perbedaan potensial antara dua kutub bermuatan di awan. - Setelah terjadi darl leader, maka akan terjadi return stroke lagi dan proses ini dapat berulang beberapa kali. 2.2.1 Awan Petir (Cumulonimbus) Proses terbentuknya awan petir : - Dibutuhkan udara naik keatas (up-draft) akibat pemanasan tanah atau sifat ortografis permukaan tanah. - Dibutuhkan pertikel aerosol (menggambang) yang hygroskopis (menyerap air) dari garam laut atau pertikel industri yang ikut naik bersama up-draft - Dibutuhkan udara lembab yang naik keatas untuk pembuatan partikel es (hailstone) di awan. Awan Comulunimbus biasanya menghasilkan hujan lebat, petir, Guntur, dan kadang kadang hujan es.
7 Gambar 2.1 Awan Cumulonimbus atau Awan Petir Petir terjadi akibat perpindahan muatan negatif (elektron) menuju ke muatan positif (proton).
8 2.3 Ciri Ciri Datangnya Petir Langit tiba-tiba menjadi gelap disertai angin datang begitu cepatnya dan awan yang menjulang tinggi menyerupai bunga kol berwarna keabuan-abuan, kemudian udara terasa pengap. Awan ini biasanya disebut dengan awan petir CB (Comulunimbus) Dalam musim penghujan seperti saat inilah awan-awan jenis ini banyak terbentuk. Penghubung yang digemari, merujuk Hukum Faraday, tak lain adalah bangunan, pohon, atau tiang-tiang metal berujung lancip. Petir dapat terjadi antara : - Awan dengan awan - Dalam awan itu sendiri - Awan ke udara - Awan denqan tanah (bumi) Besar medan listrik minimal yang memungkinkan terpicunya petir ini adalah sekitar 1.000.000 volt per meter 2.4 Jenis Jenis Petir 2.4.1 Cold Front Thunderstorm Jenis petir ini terjadi ketika udara dingin yang bergerak dengan cepat membentur sekumpulan udara panas. Udara panas tersebut kemudian akan terdorong keatas dan akan memadat menjadi awan cumulonimbus yang akan menghasilkan petir. Petir jenis ini biasanya terjadi hanya sesaat tetapi sangat ganas.
9 Gambar 2.2 Cold Front Thunderstorm 2.4.2 Warm Front Thunderstorm Jenis petir ini terjadi ketika udara panas naik keatas karena terdesak oleh udara dingin. Karena pergerakan udara panas lebih lambat dari pergerakan udara dingin, maka peningkatan udara panas menjadi bertahap disertai dengan sedikitnya turbulensi (pergolakan). Petir jenis ini lebih ringan disbanding cold front thunderstorm.
10 Gambar 2.3 Warm Front Thunderstorm 2.4.3 Sea Coast Thunderstorm Lautan lebih dingin dan tidak mudah panas seperti daratan. Daratan lebih menyerap panas daripada lautan di siang hari. Dan melepas panas lebih cepat daripada lautan di malam hari. Ketika udara panas dari daratan naik dan udara lembab dari lautan bergerak di bawahnya, udara lembab ini menjadi panas, naik, dan kemudian akan membentuk awan petir.
11 Gambar 2.4 Sea coast thunderstorm 2.4.4 Mountain Thunderstorm Gunung menjadi penghalang alami bagi angin, hal itu menyebabkan udara lembab dipaksa keatas, dan mengalami kondensasi, maka terbentuklah awan petir, pergerakan udara lembab keatas juga dibantu oleh pergerakan udara keatas (up-draft) yang dihasilkan dari pemanasan lereng oleh matahari. Petir jenis ini biasa juga disebut petir orografi.
12 Gambar 2.5 Mountain Thunderstorm 2.5 Mekanisme Sambaran Petir Saat ujung lidah petir bergerak mendekat ke tanah, kuat medan listrik pada ujung ujung struktur diatas permukaan tanah akan meningkat dan terjadi ionisasi udara yang menuju ke awan.
13 Gambar 2.6 Mekanisme Sambaran Petir 2.6 Jenis Sambaran petir Ada dua jenis sambaran petir terhadap sistim distribusi listrik : 2.6.1 Sambaran Langsung Sambaran langsung adalah sambaran petir yang mengarah langsung ke fasa konduktor dan penunjang fasa konduktor (tiang). Apabila sambaran
14 menuju fasa konduktor terjadi, gelombang tegangan yang dibangkitkan oleh sambaran petir akan mengalir di sepanjang fasa konduktor hingga ke terminal dari peralatan fasa konduktor atau bahkan sering menuju ke insulator antara fasa konduktor dengan lengan tiang akhir saluran. Apabila terjadi sambaran petir terhadap tiang penyangga saluran. Gelombang tegangan yang dibangkitkan terjadi akibat adanya gelombang tegangan balik dan kemudian berjalan sepanjang tiang, terkumpul di puncak maupun di dasar tiang, sehingga meningkatkan tegangan yang terdapat di lengan lengan tiang penyangga dan kemudian mengganggu isolasi. Isolasi ini akan menyambar balik (back flash), jika tegangan transien melebihi batas kemampuan isolasi. Namun pada sistim distribusi jarang sekali terjadi sambaran langsung, hal ini dikarenakan saluran distribusi yang berada didaerah yang padat penduduk dengan banyaknya rumah rumah atau gedung gedung yang tinggi, mengakibatkan sambaran langsung jarang terjadi pada saluran distribusi. 2.6.2 Sambaran Tidak Langsung Sambaran tidak langsung terjadi karena induksi elektromagnetik akibat sambaran petir yang tidak mengenai fasa konduktor ataupun tiang penyangga fasa konduktor secara langsung tetapi menyambar objek didekat fasa konduktor maupun tiang penyangga fasa konduktor ataupun induksi elektrostatis akibat awan bermuatan di atas saluran udara, yang akan
15 menginduksi saluran distribusi dan mengakibatkan terganggunya saluran distribusi. Sambaran tidak langsung selanjutnya adalah sambaran petir ke tanah di dekat saluran udara. Tegangan lebih induksi akibar sambaran tidak langsung ini tidak begitu berpengaruh pada saluran transmisi tetapi menyebabkan gangguan jika terjadi pada saluran distribusi. Karena menurut penelitian, tegangan yang diinduksikan lebih kecil dari tegangan transmisi, efeknya baru akan terasa pada level saluran tegangan yang lebih rendah yaitu saluran distribusi. 2.7 Karakteristik Petir Pemahaman tentang karakteristik petir akan membantu menganalisa dan merancang proteksi petir dengan mengetahui batasan besaran besaran serta ukuran peralatan proteksi yang harus di desain. Adapun karakteristik petir berdasarkan IEC 62305;1-5 adalah sebagai berikut : a. I = arus puncak petir (ka); berpengaruh pada tegangan di struktur yang disambar. U = R imp I (kv) (2.1)
16 b. Q = energy yang bias melumerkan atau menghancurkan logam (As) Q = i dt (As) (2.2) c. E = impuls force E = i dt (A s) (2.3) d. Kecuraman (di/dt) U = L (kv) (2.4) L = Konduksi (dilewati arus) Jika L besar maka besarnya tegangan yang dirasakan sistem akibat petir juga besar sehingga untuk mengurangi besarnya tegangan akibat petir dengan cara mengurangi nilai L. Cara mengurangi nilai L yaitu dengan menggunakan kabel jenis double shield yang induktansinya kecil, sekitar 0.03 ohm/m. 2.7.1 Kerapatan Sambaran Petir ke Tanah Keandalan saluran udara pada sistim distribusi bergantung dari ketahanannya terhadap petir. Untuk dapat menghitung ketahanan terhadap petir, kita perlu mengetahui angka kerapatan petir tahunan (GFD = Ground Flash Density atau N g Number Flash to Ground) pada suatu daerah. Kerapatan sambaran petir ke tanah ini dapat diperkirakan dengan berbagai cara yaitu : a. N g dapat diperkirakan dari data Keraunic level yaitu : N g = 0.04 T d 1.25 (2.5) Dimana, N g = kerapatan sambaran ke tanah (sambaran/km 2 /tahun) T d = jumlah hari guruh pertahun (nilai Keraunic level)
17 b. Nilai N g juga dapat diperoleh dari catatan jam petir (thunderstorm hour) N g = 0.054 T h 1.1 (2.6) Dimana, T h = lama terjadinya guruh (jam) c. Perkiraan harga kerapatan sambaran petir ke tanah juga dapat diperoleh secara langsung melalui data jaringan pendeteksi petir atau dari lightning counter. Penentuan kerapatan sambaran petir ke tanah dari poin a dan b memiliki kelemahan karena keandalannya bergantung pada pengamatan cuaca, tidak dapat dibedakan guruh tersebut merupakan sambaran ke tanah atau sambaran antar awan. Penentuan GFD atau N g secara langsung (poin c) merupakan yang terbaik. 2.8 Dampak Negatif Sambaran Petir Umumnya petir-petir mengincar sasaran di wilayah datar yang terbuka. Besar medan listrik minimal yang memungkinkan terpicunya petir ini adalah sekitar 1.000.000 volt per meter. Sistem distribusi listrik yang berada pada daerah terbuka dan menggunakan tiang yang tinggi membuatnya menjadi sasaran sambaran petir. Sambaran petir pada sistim distribusi tenaga listrik akan menimbulkan tegangan lebih dan arus lebih yang dapat mengganggu pendistribusian tenaga listrik ke konsumen, kerusakaan peralatan listrik milik PLN, bahkan dapat merusak peralatan listrik milik konsumen. Hal ini dikarenakan tegangan dan arus lebih yang diakibatkan oleh sambaran petir tersebut sangat besar, maka untuk
18 menjamin kenyamanan dan kelangsungan pendistribusian tenaga listrik, sistim distribusi tenaga listrik memerlukan suatu sistim perlindungan terhadap sambaran petir. Akibat dari sambaran petir tersebut akan menimbulkan gangguan gangguan pada SUTM diantaranya : - Back Flashover : flashover pada isolator karena tegangan lebih yang ditimbulkan oleh sambaran langsung ke kawat tanah (ground wire) atau ke tower. - Shielding Failure Flashover : flashover pada isolator yang disebabkan oleh sambaran langsung ke kawat fasa. - Induced Flashover : flashover pada isolator karena tegangan lebih yang ditimbulkan sambaran tidak langsung. Selain dampak dampak negatif diatas, Petir juga memiliki dampak postif, yaitu menghasilkan ozon dan nitrogen bagi bumi. 2.9 Hari Guruh Jumlah sambaran petir dihitung dengan berapa hari guruh terdengar dalam satu tahun dan dinyatakan dengan hari guruh atau thunderstorm days. Hari guruh maksimum di beberapa Negara : - Eropa : 30 hari guruh - Amerika : 100 hari guruh - Jepang : 80 hari guruh
19 - Korea : 80 hari guruh - Australia : 80 hari guruh - Indonesia : 200 hari guruh Hal ini dikarenakan Indonesia berada pada garis khatulistiwa, sehingga memiliki jumlah hari guruh yang tinggi.