BAB II TEORI DASAR 2.1 Proses terjadinya sambaran petir Proses pelepasan muatan antara awan dan bumi sama seperti peristiwa tembus antara dua buah elektroda. Agar terjadi pelepasan muatan, perbedaan tegangan antara bumi dan awan harus melewati harga tegangan tembus kritis udara. [1] Proses terjadinya sambaran petir selalu diawali oleh suatu lidah pelopor yang bergerak turun dari awan bermuatan (downward leader). Lidah pelopor ini didahului oleh alur pemandu (pilot streamer) yang menentukan arah perambatan pelepasan muatan ke udara. Alur pemandu ini mempunyai ciri arus yang kecil, cahaya yang lemah dan cepat rambat sekitar 0,05 % dari kecepatan cahaya. [1] Gerakan alur pemandu ini diikuti oleh titik cahaya yang bergerak melompat-lompat (stepped leader) dengan arah lompotan tiap-tiap langkah berubah-ubah. Sehingga secara keseluruhan lintasan lidah lompat ini tidak lurus. Lidah-lompat ini mempunyai ciri-ciri panjang tiap loncatan sekitar 50 meter dengan kecepatan 1/6 kecepatan cahaya, selang waktu antara dua lompatan sekitar 13 mikrodetik bila semakin mendekati permukaan bumi. Pada saat kanal lidah lompat yang pertama telah dekat dengan permukaan bumi, timbul beda tegangan yang besar yang mengakibatkan terbentuknya kanalkanal muatan dari bumi. Kanal-kanal muatan ini berlawanan dengan kanal lidah lompat dan bergerak ke atas dari bumi menuju awan, yang disebut connecting 7 [1]
leader. Kanal muatan ini akan saling bertemu pada titik yang disebut point of strike, selanjutnya terjadilah sambaran balik (return stroke). Sambaran balik ini merupakan pelepasan muatan dari awan ke bumi atau sebaliknya dari bumi ke awan. Ciri-ciri dari sambaran balik ini adalah cahaya yang sangat terang dengan kecepatan rambat sekitar 10 % kecepatan cahaya, besar arusnya dapat mencapai 200 ka. [1] Terjadinya arus sambaran balik akan menetralkan muatan pada pusat muatan awan, maka potensial pusat muatan awan tersebut turun dengan cepat. Akibatnya terjadi perbedaan potensial yang tinggi antara pusat muatan pertama yang sudah ternetralkan dengan pusat muatan ke dua pada awan yang sama. Terbentuklah lidah petir antara kedua pusat muatan yang saling bertemu membentuk kanal yang konduktif. Lidah petir dari pusat muatan kedua ini disebut lidah panah (dart leader) dengan ciri-ciri tidak bercabang dan bergerak dengan kecepatan sekitar 3 % kecepatan cahaya. Setelah lidah panah mencapai bumi terjadilah sambaran balik yang bergerak dari bumi menuju awan dan terjadilah pelepasan muatan dari pusat muatan awan kedua. Proses yang serupa ini akan terjadi pada pusat muatan ketiga dan seterusnya. Proses sambaran yang berulangulang ini disebut sambaran berulang (multiple stroke). [2] 2.2 Besarnya kebutuhan bangunan akan Sistem Perlindungan Bangunan di atas tanah merupakan salah satu objek di bumi yang karena faktor ketinggiannya dibandingkan dengan daerah sekitarnya mengakibatkan lebih mudah dan sering disambar petir, sehingga dibutuhkan Sistem Penangkal Petir 8
untuk memberikan perlindungan terhadap bahaya yang ditimbulkan akibat sambaran petir. Petir yang menyambar bangunan di bumi, merupakan bunga api listrik yang mengosongkan muatan awan dalam waktu yang sangat singkat dalam orde mikro detik dengan arus puncak yang tinggi. Gejala-gejala yang ditimbulkan petir dapat dikatakan sama dengan gejala aliran arus listrik yang melalui penghantar listrik. Gejala-gejala yang ditimbulkan oleh sambaran petir antara lain dapat menimbulkan : [2] 1. Beban thermal, yaitu terjadinya panas pada bagian-bagian yang dialiri arus petir 2. Beban mekanis, yaitu karena timbulnya gaya elektrodinamis sebagai akibat tingginya arus puncak 3. Beban korosi yaitu karena proses elektrokimia pada saat mengalirkan arus pada penghantar dan pentanahan 4. Beban getaran mekanis yaitu karena guntur 5. Beban tegangan lebih karena adanya induksi tegangan dan pergeseranpergeseran potensial di dalam bangunan yang sangat berbahaya untuk peralatan berbasis elektronika Untuk menentukan besarnya kebutuhan perlindungan pada bangunan, maka bangunan dikelompokkan berdasarkan beberapa kriteria yaitu jenis struktur bangunan, konstruksi bangunan, tinggi bangunan, situasi bangunan dan pengaruh 9
sambaran petir. Tiap-tiap kelompok dibagi-bagi lagi dan diberikan harga indeks yang ditentukan secara empiris seperti ditunjukkan pada Tabel 2.1 sampai dengan Tabel 2.6. Jumlah dari masing-masing indeks R = A + B + C + D + E disebut Indeks Rasio (IR) merupakan indeks perkiraan bahaya akibat sambaran petir. Sehingga dapat dikatakan bahwa semakin besar indeks resiko yang diperoleh dari jumlah masing-masing indeks tersebut menunjukkan semakin besar kebutuhan bangunan tersebut akan adanya sistem penangkal petir. Tabel 2.1 Jenis Struktur Bangunan [2] Penggunaan dan Isi Bangunan biasa yang tidak perlu diamankan baik bangunan maupun Indeks A -10 isinya Bangunan dan isi jarang dipergunakan 0 Bangunan yang berisi peralatan sehari-hari atau tempat tinggal orang 1 (rumah tinggal, toko, pabrik kecil, dsb) Bangunan atau isinya cukup penting (menara air, kantor, pabrik, 2 gedung pemerintahan, dsb) Bangunan yang berisi banyak sekali orang, seperti supermarket, 3 masjid, sekolah, apartemen, dsb) Instalasi gas, minyak, SPBU, rumah sakit, dsb 5 Bangunan yang mudah meledak, gudang bahan kimia, gudang 15 penyimpanan gas, gudang bahan peledak, dsb 10
Tabel 2.2 Konstruksi Bangunan [2] Konstruksi Bangunan Indeks B Seluruh bangunan terbuat dari logam (mudah menyalurkan arus listrik) 0 Bangunan dengan konstruksi beton bertulang, atau kerangka besi 1 dengan atap logam Bangunan dengan konstruksi beton bertulang kerangka besi dan atap 2 bukan logam Bangunan kayu dengan atap bukan logam 3 Tabel 2.3 Tinggi Bangunan [2] Tinggi Bangunan (m) Indeks C Sampai dengan 6 0 12 2 17 3 24 4 35 5 49 6 69 7 98 8 138 9 195 10 > 195 15 11
Tabel 2.4 Situasi Bangunan [2] Situasi Bangunan Indeks D Di tanah datar 0 Di kaki bukit sampai tiga perempat tinggi bukit atau pegunungan 1 sampai 914 m Di puncak gunung atau pegunungan lebih besar dari 914 m 2 Tabel 2.5 Pengaruh Petir [2] Hari Guruh Pertahun Indeks E 2 0 4 1 8 2 16 3 32 4 64 5 128 6 Tabel 2.6 Perkiraan Bahaya (R) [2] R = A + B + C + D + E Perkiraan Bahaya (Indeks Rasio) Pengamanan Di bawah 11 Diabaikan Tidak perlu Sama dengan 11 Kecil Tidak perlu 12 Tidak begitu kecil Agak dianjurkan 13 Agak besar Dianjurkan 12
14 Besar Sangat dianjurkan Lebih besar dari 14 Sangat besar Sangat perlu 2.3 Komponen Sistem Penangkal Petir Sistem Penangkal Petir untuk sambaran langsung disebut juga External Lightning merupakan sistem pelindung yang berguna untuk menangkap sambaran petir dan mengalirkannya ke tanah melalui hantaran penyalur arus petir dan sistem pentanahan. Komponen sistem penangkal petir terdiri dari 3 bagian, yaitu : 1. Finial (Air Terminal) 2. Hantaran penyalur arus petir (down conductor) 3. Sistem pentanahan (Earthing System) [3] Masing-masing komponen-komponen tersebut mempunyai fungsi masingmasing, dan agar tercapai suatu sistem penangkal petir yang baik maka ketiga komponen tersebut harus memenuhi persyaratan bahan dan ukuran yang meliputi : 1. Ketahanan mekanis 2. Ketahanan panas 3. Ketahanan terhadap pengaruh kimia terutama korosi 4. Ketahanan terhadap pengaruh lingkungan disekitarnya 13
2.3.1 Finial (Air Terminal) Finial (Air Terminal) adalah hantaran-hantaran dari bahan logam atau elektroda logam yang dipasang di atas atap bangunan pada posisi horizontal maupun tegak yang berfungsi menangkap sambaran petir langsung. Jenis bahan dan ukuran Finial yang digunakan dalam perencanaan ini seperti ditunjukkan pada Tabel 2.7. Tabel 2.7 Jenis bahan dan ukuran Finial yang digunakan [3] No Komponen Jenis Bahan Bentuk Ukuran 1. Kepala Tembaga Pejal runcing Diamater 25,4 mm 2. Batang tegak Tembaga pejal Bulat Diameter 10 mm.3. Finial Tembaga Pejal bulat Diameter 10 mm 2.3.2 Hantaran Penyalur Arus Petir (down conductor) Finial petir harus dihubungkan ketanah dengan hantaran penyalur arus petir sependek mungkin, agar jatuh tegangan induktif sepanjang hantaran penyalur sekecil mungkin. Jenis bahan dan ukuran hantaran penyalur arus petir yang digunakan dalam perencanaan ini yaitu Tembaga bentuk pilin dengan ukuran diameter 50 mm. 2.3.3 Sistem pentanahan (Earthing System) Fungsi sistem pentanahan adalah mengalirkan arus sambaran petir ke dalam tanah melalui elektroda pentanahan. Elektroda-elektroda pentanahan ini 14
dihubungkan dengan hataran-hataran penyalur arus petir yang terdapat pada bangunan dengan maksud untuk memperkecil kemungkinan kerusakan-kerusakan akibat timbulnya perbedaan potensial sedangkan untuk menghindari bahaya tegangan langkah yang timbul dan perbedaan tegangan yang besar antara tanah dengan elektroda pentanahan maka nilai tahanan pentanahan harus sekecil mungkin. Jenis bahan dan ukuran elektroda pentanahan yang digunakan dalam perencanaan ini yaitu Tembaga bentuk pejal bulat dengan ukuran diameter 12.7 mm. 2.4 Model Analitis Elektrogeometris Sistem Perlindungan Bangunan Model analitis elektrogeometris sistem perlindungan bangunan adalah salah satu teori yang menghubungkan antara sifat listrik sambaran petir dengan geometri sistem perlindungan terhadap petir. Model ini dikembangkan oleh Michael A Sargent [3] sebagai perlindungan sambaran petir untuk bangunan. Karena belum adanya standarisasi bentuk bangunan dan ketidakpastian dari sifat sambaran petir maka dibuat model elektrogeometris acuan yang didefinisikan pada keadaan tertentu, sedangkan penyimpangan-penyimpangan dari kondisi yang didefinisikan dianggap sebagai penyimpangan model. Secara garis besar faktor-faktor yang mempengaruhi model elektrogeometris perlindungan bangunan terhadap petir dapat digolongkan menjadi 2 (dua), yaitu : 15
1. Faktor-faktor yang dapat diketahui dari kegiatan analisa dan pengukuran, yaitu : a. Bentuk dan ukuran bangunan yang dilindungi b. Susunan sistem pelindung petir yang memberikan data-data tentang posisi dan tinggi dari penangkal petir tegak maupun mendatar serta posisi hantaran penyalur c. Keadaan disekitar bangunan (bentuk permukaan bumi, komposisi tanah, dan lain sebagainnya) 2. Faktor-faktor yang diperkirakan besarnya dari hasil percobaan dan kalibrasi, yaitu : a. Besar tegangan sambaran petir yang dihubungkan dengan arus sambaran petir yang akan terjadi b. Hubungan antara jarak sambar petir (rs) dengan arus sambaran petir yang terjadi (I) c. Fungsi distribusi kepadatan sudut datang lidah petir pada suatu bidang tegak, yang dapat dituliskan dalam bentuk persamaan : [4] K m cos m (x), -90o x 90o g (x) =... (2.2) 0, untuk harga yang lain dengan : K m = konstanta yang menunjukkan perbedaan distribusi kepadatan sudut datang lidah petir (K m = 0,85 s.d 1) 16
Secara matematis, model analitis elektrogeometris ini menunjukkan hubungan antara sifat listrik sambaran petir dengan geometris dari sistem perlindungan bangunan yang mengacu pada kondisi ideal. Pada model analitis ini, kondisi ideal didefinisikan sebagai berikut : 1. Sifat sambaran listrik a. Jarak sambar ke setiap komponen sistem mempunyai harga yang sama b. Tempat titik terminal sambaran petir sebelum petir mencapai jarak sambar dari komponen sistem, tidak dipengaruhi oleh komponen sistem di bumi c. Distribusi frekuensi arus sambaran petir ke tanah diketahui 2. Bentuk fisik bangunan Karena tidak ada standarisasi bentuk-bentuk bangunan, maka untuk mempermudah permasalahan dilakukan penyederhanaan terhadap bangunan yaitu : a. Bangunan didefinisikan terletak di tengah-tengah suatu bidang datar rata yang luas tanpa ada komponen lain di bumi b. Bangunan mempunyai bentuk atap datar sejajar permukaan tanah datar 3. Konfigurasi sistem pelindung a. Cara-cara perlindungan dan pemasangannya sesuai dengan caracara pada peraturan umum instalasi penangkal petir b. Pada bangunan tidak terdapat komponen-komponen lain yang dapat 17
dimanfaatkan sebagai pelindung petir kecuali sistem penangkal petir yang terpasang yang berfungsi sebagai pelindung petir c. Hantaran-hantaran penyalur arus petir merupakan garis putus-putus yang sejajar atau tegak lurus dengan bidang permukaan tanah datar Untuk menentukan ruang proteksi suatu penangkal petir atau memeriksa apakah suatu penangkal petir cukup efektif dan untuk menentukan apakah suatu bangunan terlindungi oleh penangkal yang dipasang, cara yang paling sederhana adalah dengan menggunakan gambar berskala. Besaran jarak sambar, tinggi dan letak penangkal petir, ukuran serta letak bangunan yang diperiksa dibuat dalam skala dan dituangkan dalam gambar. Tahapan untuk menentukan ruang proteksi terdiri dari : 1. Menentukan jarak sambar S 2. Melukiskan penangkal petir P pada posisinya 3. Melukiskan garis bantu datar sejajar tanah berjarak sama dengan jarak sambar S. Garis bantu ini merupakan tempat kedudukan titik awal sambaran 4. Membuat busur dengan jari-jari sebesar jarak sambar S memotong garis bantu pada dua titik yang diambil dari titik ujung penangkal petir (misalnya titik A dan B) 5. Berdasarkan titik A dan B, secara bergantian buat lagi busur dengan jari-jari sebesar jarak sambar membentuk ruang proteksi 18
P S S A S B h p h b C D h x E d b F G d p Gambar 2.1. Ruang proteksi penangkal petir Dengan demikian untuk lebih memahami analisis ruang proteksi secara analitik yaitu maka nilai arus sambaran petir I dan jarak sambar yaitu S = 10. I 0,65, maka diperoleh persamaan secara analitik yaitu : PB = PG - BG = S - AE = S - h p Jarak jangkauan proteksi di tanah :... (2.1) d p = EG = AB = S 2 - ( PB) 2... (2.2) Secara berturut-turut dihitung panjang CD dan PF, yaitu : CD = FG = d PD = S 2 - p - d b ( CD) 2... (2.3) 19
Kemudian dihitung tinggi proteksi yang diberikan oleh penangkal petir batang tegak tunggal di titik F, yaitu : h x = DG = PG PD = S - PD... (2.4) Apabila diperoleh nilai : h b h x ; maka bangunan terlindungi h b > h x ; maka bangunan tidak terlindungi Beberapa hasil penelitian jarak sambar petir, seperti ditunjukkan pada Tabel 2.8, ditunjukkan perbandingan jarak sambar dengan arus petir Tabel 2.8 Perbandingan jarak sambar dengan arus petir [3] Arus Amstrong & Whitehead Brown & Whitehead Golde (ka) r s = 6,7 x I o,8 rs = 7,1 x I o,75 rs = 10 x I o,65 10 42,27 39,92 44,67 15 58,47 54,12 58,14 20 73,60 67,15 70,09 25 87,98 79,38 81,03 30 101,80 91,01 91,29 35 115,17 102,16 100,84 40 128,15 112,92 109,98 45 140,80 123,35 118,73 50 153,20 133,50 127,15 55 165,34 143,40 135,28 60 177,25 153,06 143,15 65 188,98 162,53 150,80 20
70 200,52 171,82 158,24 75 211,90 180,95 165,20 80 223,12 189,92 172,59 85 234,21 198,76 179,52 90 245,17 207,46 186,32 95 256,01 216,05 192,98 100 266,73 224,52 199,53 2.5 Perhitungan tegangan sentuh dan tegangan langkah 2.5.1 Tegangan sentuh Tegangan sentuh adalah perbedaan tegangan antara bagian logam yang dihubungkan dengan sistem pentanahan dengan suatu titik di permukaan tanah sejauh jangkauan orang normal yang berdiri dari logam tersebut. Perbedaan tegangan ini disebabkan oleh adanya arus kesalahan. Pada Gambar 2.2 ditunjukkan proses terjadinya tegangan sentuh pada seseorang ketika menyentuh sedikit logam yang sedang mengalirkan arus listrik ke tanah. Gambar 2.2 Proses terjadinya tegangan sentuh [3] 21
Keterangan Gambar 2.2 : R o = Tahanan antara tempat orang berdiri dengan tempat yang jauh (tanah sebagai referensi) R 1 = Tahanan antara tempat orang berdiri dengan peralatan R o + R = 1 Besar tahanan pentanahan total R f = Tahanan tanah yang ada di bawah tiap kaki R k = Tahanan tubuh manusia Berdasarkan Gambar 2.2, besarnya tegangan sentuh yang terjadi dapat diketahui dengan menggunakan persamaan : [3] E sentuh = R k R f + x I 2 k... (2.5) dengan : R k = Tahanan tubuh manusia (Ω) Harga yang dianjurkan oleh IEEE yaitu R k = 1000 Ω R f = Tahanan tanah yang ada di bawah tiap kaki (Ω-m) Harga yang dianjurkan oleh IEEE yaitu R f = 3. ρ s ρ s adalah tahanan jenis tanah (lihat Tabel 2.13) I k = Besarnya arus efektif yang melewati tubuh manusia (A) Harga yang dianjurkan oleh IEEE yatu : 0,116 I k = t dengan : t = selang waktu (detik) 22
Tabel 2.9 Tahanan jenis tanah untuk bermacam-macam jenis tanah [5] Jenis tanah Tahanan jenis tanah (ρ s ) (Ω-m) Sawah, rawa 0-150 Tanah garapan (tanah liat) 10-200 Tanah garapan (kerikil) 100-1000 Pegunungan biasa 200-2000 Pegunungan berbatu 2000-5000 Pinggir sungai berbatu 1000-5000 sehingga besarnya tegangan sentuh yaitu : [3] E sentuh 3.ρ = 1000 + 2 = [ 1000 + 1,5 ρ ] 116 + 0,17 ρ = t s s s 0,116 x t 0,116 x t... (2.6) dengan menurunkan besaran tahanan pentanahan total (R o + R 1 ) maka tegangan sentuh dapat diminimalisasi pada harga yang tidak membahayakan. Harga yang dihitung di atas merupakan harga tegangan maksimum dimana arus yang mengganggu kegiatan jantung sehingga menyebabkan kematian bagi manusia. 2.5.2 Tegangan langkah Tegangan langkah adalah tegangan antara dua titik pada permukaan tanah di sekeliling elektroda pentanahan, dimana jarak kedua titik adalah sebesar 23
langkah orang normal, pada saat itu sedang terjadi kesalahan hubung singkat ke tanah pada peralatan. Pada Gambar 2.3, ditunjukkan proses terjadinya tegangan langkah. Gambar 2.3 Proses terjadinya tegangan langkah [3] Berdasarkan Gambar 2.3, terlihat adanya perbedaan tegangan diantara kedua kaki. Besarnya tahanan pentanahan total yang terjadi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan yaitu : [3] R = R + R + R... (2.7) Total 1 2 3 dengan : R Total R o = Tahanan pentanahan total (Ω) = Tahanan pentanahan antara kaki ke dua dengan tempat yang jauh (Ω) R 1 R 2 = Tahanan pentanahan antara peralatan dan kaki pertama (Ω) = Tahanan antara dua kaki (Ω) 24
R 1 = Tahanan pentanahan antara peralatan dan kaki pertama (Ω) R k = Tahanan badan antara antara ke dua kaki (Ω) R f = Tahanan tanah yang ada di bawah tiap kaki (Ω) maka : langkah ( R 2 R ). I k E = +... (2.8) k f sehingga : E langkah = ( 1000 + 6 ρ ) 116 + 0,7 ρ = t s s 0,116. t... (2.9) 2.6 Bentuk-bentuk penanaman batang elektroda pentanahan Penanaman batang elektroda pentanahan ke dalam bumi terdiri dari beberapa bentuk, yaitu : 1. Satu elektroda batang di tanam tegak lurus terhadap permukaan tanah 2. Satu elektroda batang di tanam tegak lurus pada kedalaman beberapa cm di bawah permukaan tanah 3. Satu elektroda batang di tanam tegak lurus terhadap permukaan tanah dan menembus lapisan tanah ke dua 4. Satu elektroda batang di tanam tegak lurus pada kedalaman beberapa cm di bawah permukaan tanah dan menembus lapisan tanah ke dua 25
Bentuk-bentuk penanaman elektroda batang tersebut seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4. 2 a L ρ h b ρ ρ 1 h b ρ 1 h b Elektroda batang L L ρ 2 L ρ 2 (a) (b) (c) (d) Gambar 2.4. Bentuk-bentuk penanaman elektroda batang Menurut H.B. Dwight, [4] besarnya tahanan pentanahan satu elektroda batang yang ditanam tegak lurus terhadap permukaan tanah seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4.(a) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : R dl ρ 4 L = ln -1 2 π L a... (2.10) Besarnya tahanan pentanahan satu elektroda batang yang ditanam tegak lurus pada kedalaman beberapa cm di bawah permukaan tanah seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4.(b) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : R dl ρ 2 L = ln -1 2 π L a... (2.11) Besarnya tahanan pentanahan satu elektroda batang di tanam tegak lurus terhadap permukaan tanah dan menembus lapisan tanah ke dua seperti 26
ditunjukkan pada Gambar 2.4.(c) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : ρ 4 L = R a = ln -1 2π L a 2 R dl... (2.12) Besarnya tahanan pentanahan satu elektroda batang di tanam tegak lurus pada kedalaman beberapa cm di bawah permukaan tanah dan menembus lapisan tanah ke dua seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4.(d) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : ρ 1 2 L ln 2 ρ xφ = R b = ln -1 1 o + + 2π ( h - h ) a ( 4ln 2) h... (2.13) b b 1+ h L 2 R dl dimana : 1 1 ln 2 1- K φ o = π 2 N -1 + 1 F o dengan : R = dl tahanan pentanahan untuk satu batang elektroda pentanahan yang di tanam tegak lurus terhadap permukaan tanah (Ohm) L = Panjang batang elektroda pentanahan (m) a = Jari-jari batang elektroda pentanahan (mm) h = b Kedalaman penanaman batang elektroda pentanahan (m) 27
ρ = 1 Tanahan jenis tanah rata-rata lapisan pertama (Ohm-m) ρ = 2 Tanahan jenis tanah rata-rata lapisan kedua (Ohm-m) h = Ketebalan lapisan tanah ke satu (m) N = Jumlah elektroda batang h = o Kedalaman penanaman batang elektroda terhadap permukaan tanah (m) R = a R b tahanan pentanahan batang elektroda pada lapisan tanah ke satu (Ω) tahanan pentanahan batang elektroda pada lapisan tanah ke dua (Ω) 2.7 Perhitungan kekuatan bahan Salah satu cara untuk mengetahui kekuatan bahan dari tiang penangkal petir batang tegak tunggal yaitu dengan melakukan perhitungan besarnya defleksi maksimum yang terjadi dan defleksi maksimum yang diijinkan pada tiang penangkal petir batang tegak tunggal. Jika perbandingan besarnya defleksi maksimum yang terjadi dengan defleksi maksimum yang diijinkan menunjukkan bahwa defleksi maksimum yang diijinkan lebih besar dari defleksi maksimum yang terjadi maka konstruksi tiang penangkal petir batang tegak tunggal aman terhadap gaya-gaya luar yang terjadi pada tiang tersebut. Pada Gambar 2.5, ditunjukkan defleksi tiang. Besarnya defleksi maksimum yang terjadi pada tiang penangkal petir batang tegak tunggal dapat dituliskan dalam bentuk persamaan yaitu : [5] [δ] terjadi 3 P w. D1. H.(12. H ) = [in] (2.14) 8. E. I 28
dimana : δ D 1 E = defleksi maksimum tiang pada bagian atas [in] = diameter tiang rerata [ft] = modulus elastisitas tiang [psi] Untuk bahan tiang dari SS-304, E = 30.10 6 psi H = tinggi tiang dari permukaan tanah, termasuk tatakan tiang [ft] I = momen inersia [in 4 ], I = π. R 3. t [in 4 ], hanya berlaku untuk : R > 10.t R t = jari-jari rerata tiang [in] = tebal plat landas [in] lb = tekanan angin (wind pressure), [psf, ] ft P w 2 P w = 0,0025 x (V w ) 3 lb [psf, ] 2 ft V w = kecepatan angin [mil/jam] Sedangkan besarnya defleksi maksimum yang di ijinkan untuk tiang penangkal petir batang tegak tunggal, dapat dituliskan dalam bentuk persamaan yaitu : [5] H. D1 [δ] ijin = [in]... (2.15) 100 agar konstruksi tiang penangkal petir dapat dinyatakan aman terhadap gaya-gaya luar dapat dituliskan dalam bentuk persamaan yaitu : [5] [δ] ijin [δ] terjadi... (2.16) 29
D 1 D 2 δ H t Gambar 2.5 Defleksi tiang penangkal petir [5] 2.8 Pengaruh sambaran petir terhadap bangunan Jenis sambaran petir yang dapat merusak bangunan, peralatan eletronika bahkan manusia yaitu sambaran langsung dan sambaran tidak langsung. Kedua jenis sambaran ini menimbulkan tegangan lebih. Pengaruh pulsa medan elektromagnetik (Electromagnetic Pulse-EMP) yang ditimbulkan oleh tegangan ini antara lain: [6] 1. Proses Switching peralatan listrik pada power plant atau power supply (SEMP) 2. Pelepasan muatan petir (LEMP) 3. Ledakan senjata nuklir (NEMP) 30
4. Surge Voltages (tegangan surja) atau Surge Current (arus surja) yang timbul akibat dari proses operasi saklar pada sistem tegangan rendah itu sendiri 2.8.1 Pengaruh sambaran petir langsung dan dekat dengan objek Sambaran petir langsung adalah sambaran petir yang langsung mengenai sebagian konstruksi dan bangunan atau objek yang berada di permukaan bumi, sedangkan sambaran dekat adalah sambaran yang sangat dekat instalasi, konstruksi dan bangunan (misalnya instalasi pipa gas, air, minyak, jaringan data, jaringan telekomunikasi, dan jaringan listrik), yang masuk ke bangunan atau instalasi akibat sambaran petir pada hantaran konduktif tersebut. Pada kondisi ini, impuls petir akan masuk ke bangunan melalui jaringan konduktor listrik dan telepon yang dapat menyalurkan arus petir langsung ke peralatan yang terhubung dengan konduktor tersebut sehingga dapat menyebabkan kerusakan, sedangkan inpuls yang masuk melalui bahan konduktif seperti pipa air, gas dan minyak akan menyebabkan kenaikan tegangan yang dapat menyebabkan terjadinya perbedaan tegangan pada struktur di dalam ruangan dan dapat menyebabkan kerusakan pada peralatan dan berbahaya bagi keselamatan manusia. Pada jenis sambaran ini peralatan sistem proteksi tegangan lebih akan dialiri oleh sebagian besar arus petir atau arus induksi. Untuk mencegah bahaya akibat sambaran langsung dan dekat dengan objek sambaran dapat menggunakan External Lightning Protection System (ELPS) yang terdiri dari Finial, hantaran penyalur arus petir ke bumi dan sistem 31
pentanahan yang di pasang terpisah dari bangunan, tetapi dapat memberikan perlindungan efektif. 2.8.2 Pengaruh sambaran petir tidak langsung Sambaran petir tidak langsung adalah sambaran yang misalnya menyambar saluran udara atau induksi dari pelepasan muatan petir awan-awan pada saluran udara atau sambaran dekat dengan saluran udara sehingga timbul gelombang berjalan (electromagnetic wave) yang menuju ke peralatan listrik atau elektronik di dalam bangunan. Pada jenis sambaran ini peralatan sistem proteksi tegangan lebih akan dialiri oleh sebagian kecil arus petir atau arus induksi. Sambaran petir tidak langsung terutama disebabkan oleh tegangan yang timbul pada saat arus petir masuk ke tanah dan medan elektromagnetik di sekeliling hantaran penyalur arus petir yang disebabkan oleh karena mengalirnya arus petir. Terjadinya radiasi pada frekuensi yang luas dari petir akibat proses tembus yang terjadi selama proses terbentuknya kilat, dan terdapatnya medan elektromagnetik yang dihasilkan oleh arus petir yang mengalir pada hantaran penyalur arus petir konduktif dan non-konduktif. Medan elektromagnetik yang dihasilkan oleh return stroke mempunyai energi yang besar yang radiasinya mampu merusak komponen elektronik. Kenaikkan tegangan pada sistem pentanahan mempunyai kemampuan untuk merusak peralatan karena adanya beda tegangan. Sambaran petir tidak langsung menghasilkan pengaruh elektromagnetik sehingga menimbulkan : 1. Kenaikkan tegangan pada titik pentanahan (kopling galvanik) 32
2. Radiasi elektromagnetik yang dapat menghasilkan tegangan pada bahan konduktif 3. Induksi elektromagnetik yang menyebabkan kopling kapasitif dan kopling induktif 4. Konduksi pada hantaran konduktif di udara atau dalam tanah berupa gelombang berjalan Bahaya akibat pengaruh kenaikan tegangan lebih pada peralatan dapat dikurangi jika Batang Penyama Tegangan (BPT) atau Potential Equalization Bar (PEB) dan seluruh sistem pentanahan serta hantaran penyalur arus petir ke tanah terhubung dengan baik dan dengan jarak sependek mungkin ke BPT. BPT adalah pelat tembaga dimana seluruh sistem pembumian dari peralatan dan konstruksi metal di dalam suatu sistem proteksi dihubungkan ke pelat tembaga ini termasuk seluruh incoming dan outgoing cables secara langsung maupun melalui alat proteksi tegangan lebih. Jika terjadi sambaran petir pada instalasi, maka seluruh sistem akan naik tegangannya Ve, sehingga tidak terdapat beda potensial antara satu peralatan dengan peralatan lainnya yang dapat menimbulkan flash over. Pada saat mengalirnya arus petir pada hantaran turun, maka akan timbul tegangan elektromagnetis yang diinduksikan oleh (di/dt) maks pada instalasi dengan gelung tertutup maupun gelung terbuka. Tegangan induksi elektromagnetis V s ini dapat terjadi pada penghantar gelung tertutup yang terletak di dalam maupun di luar bangunan. 33
Mekanisme terjadinya tegangan transient pada sistem tenaga listrik, jaringan elektronika dan jaringan data telekomunikasi dapat terjadi dengan 4 (empat) cara, yaitu : [6] a. Kopling Induktif b. Kopling Galvanik c. Kopling Kapasitif d. Kopling Konduktif 2.8.2.a Kopling Induktif Tegangan transient yang masuk ke dalam penghantar sistem tenaga listrik, jaringan elektronika dan jaringan data telekomunikasi akan membentuk suatu gelung induktif, sehingga disebut kopling induktif. Arus petir yang mengalir melalui hantaran ini menghasilkan perubahan medan magnetik, yang akan menginduksikan tegangan pada gelung yang dibentuk oleh jaringan. Semakin besar perubahan medan magnetik atau perubahan pada arus petir, maka semakin besar pula tegangan yang diinduksikan pada gelung terbuka dari jaringan. Selain terjadi tegangan induksi pada loop besar seperti pada instalasi listrik dan logam, terjadi pula tegangan induksi pada loop kecil dan memanjang yang terbentuk dari kawat paralel yang tidak mempunyai selubung pelindung, misalnya kabel telekomunikasi yang terletak dekat dengan konduktor petir. Diantara kedua kabel tersebut akan timbul tegangan yang berbahaya untuk komponen elektronik. Besarnya tegangan lebih ini dapat mencapai kv. 34
Kabel data Gelung induktif dibentuk oleh kabel listrik dan kabel data untuk terminal yang jauh Kabel listrik Gambar 2.6 Kopling induktif yang terbentuk dari kabel listrik dan kabel data [6] Jika petir menyambar bangunan satu, maka tegangan sampai beberapa kv akan terinduksi pada loop ini, dan berpotensi menimbulkan kerusakan isolasi akibat loncatan arus impuls petir yang mencapai beberapa ka. Ilustrasi timbulnya gelung induktif ini seperti ditunjukkan pada Gambar 2.7. Penghantar petir Gedung 1 Gedung 2 Alat 1 Kawat sinyal Gelung induksi Alat 2 PEB 1 Arus masuk PEB 2 Gambar 2.7 Gelung induktif yang terbentuk dari kawat sinyal dan tanah [6] 35
2.8.2.b Kopling Galvanik (ohmic coupling) Kenaikan tegangan tanah akibat terjadinya tegangan lebih sambaran petir merupakan jenis gangguan yang sangat berbahaya disebut Kopling Galvanik. Jaringan data yang menghubungkan dua buah komputer akan mengalami perbedaan tegangan antara kedua grounding peralatan akibat mengalirnya arus sambaran petir yang menyambar salah satu jaringan sistem yang besarnya dapat mencapai ribuan amper. Mekanisme Kopling Galvanik antara 2 buah bangunan seperti ditunjukkan pada Gambar 2.8. Penghantar petir Gedung 1 Gedung 2 PEB 2 Tegangan ± 5 kv 100 m Tegangan ± 15 kv 500 m Gambar 2.8 Kopling Galvanik antara 2 buah bangunan [6] Pada proses kopling Galvanik terjadi perbedaan tegangan antara sistem pentanahan gedung 1 dengan gedung 2, dimana kedua peralatan dalam gedung ini terhubung dengan kawat sinyal, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.9. 36
Jika petir menyambar gedung 1, maka akan timbul perbedaan tegangan yang besarnya dapat mencapai beberapa kv pada RA 1. Tegangan sebesar ini dapat merusak isolasi alat 1 dan alat 2, sehingga arus impuls petir akan mengalir dari PEB 1 alat 1 dan alat 2 PEB 2 dan RA 2 sepanjang kawat sinyal. Besarnya arus sambaran petir ini dapat mencapai beberapa ka, bergantung pada besarnya tahanan RA 1 terhadap RA 2. Penghantar petir PEB 1 Gedung 1 Alat 1 Kawat sinyal Arus masuk Gedung 2 Alat 2 PEB 2 RA1 RA2 Gambar 2.9 Elevasi tegangan induksi antara kawat sinyal dan tanah 2.8.2.c Kopling Kapasitif Jika petir menyambar tanah atau batang penangkal petir maka tegangan pada saluran di udara atau batang penangkal petir akan naik sampai beberapa kv lebih tinggi dari sekitarnya. Kawat sinyal antara alat 1 dan alat 2 secara kapasitif terkopling dengan saluran petir di udara. Melalui kopling kapasitif kawat akan diisi muatan listrik sehingga bertegangan dan menyebabkan arus petir beberapa ka mengalir ke tanah setelah merusak isolasi pada alat 1 dan alat 2. Ilustrasi Kopling Kapasitif seperti ditunjukkan pada Gambar 2.10. 37
Penghantar petir Gedung 1 Alat 1 Kawat sinyal Gedung 2 Alat 2 PEB 1 Arus masuk PEB 2 RA Gambar 2.10 Kopling kapasitif 2.8.2.d Kopling Konduktif Tegangan induksi yang terjadi pada benda logam disekitar titik sambaran yang tidak dibonding ke ground sehingga dapat mengalirkan arus sambaran petir di sebut Kopling konduktif. Pada sambaran jauh, gelombang tegangan akan terinduksi di sepanjang konduktor dan arus akan bergerak dengan kecepatan cahaya menuju ke sistem yang diproteksi atau timbulnya induksi elektromagnetik yang masuk ke sistem yang diproteksi akibat adanya sambaran dekat sistem melalui hantaran. Sebagaian arus sambaran petir yang mengalir pada kabel atau penghantar akan mengakibatkan tegangan longitudinal dan tegangan transverse. Tegangan longitudinal Vi timbul antara konduktor dengan logam kabel screen, sehingga memberikan tegangan pada rangkaian input, dan dari peralatan memberikan strees tegangan pada isolasi antara terminal input dengan pembumian. Tegangan transverse V q timbul antara masing-masing konduktor sehingga memberikan [6] 38
tegangan pada rangkaian input dari peralatan elektronik yang tersambung. Tegangan lebih yang timbul pada kabel penghantar seperti ditunjukkan pada Gambar 2.11. Penghantar petir Gedung 1 Gedung 2 Alat 1 Mantel kabel I2 I1 Alat 2 PEB 1 Penghantar kabel PEB 2 I1 Elektroda pentanahan I2 Elektroda pentanahan Gambar 2.11 Tegangan lebih pada kabel [6] 39