PENGARUH UKURAN BUTIRAN AIR HUJAN TERHADAP TEGANGAN TEMBUS UDARA SKRIPSI OLEH : JOIN WAN CHANLYN S NIM : 090402090 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
PENGARUH UKURAN BUTIRAN AIR HUJAN TERHADAP TEGANGAN TEMBUS UDARA Oleh : JOIN WAN CHANLYN S NIM : 090402090 Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN Sidang pada tanggal 18 bulan Desember tahun 2013 di depan penguji : 1) Ir. Syahrawardi : Ketua Penguji : 2) Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si : Anggota Penguji : Disetujui Oleh : Pembimbing Tugas Akhir (Ir. Hendra Zulkarnaen) NIP : 19610514 198601 1 003 Diketahui oleh : Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU (Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si) NIP : 19540531 198601 1 002
PENGARUH UKURAN BUTIRAN AIR HUJAN TERHADAP TEGANGAN TEMBUS UDARA Oleh : JOIN WAN CHANLYN S NIM : 090402090 Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN Sidang pada tanggal 18 bulan Desember tahun 2013 di depan penguji 1) Ir. Syahrawardi : Ketua Penguji 2) Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si : Anggota Penguji Disetujui Oleh : Pembimbing Tugas Akhir (Ir. Hendra Zulkarnaen) NIP : 19610514 198601 1 003 Diketahui oleh : Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU (Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si) NIP : 19540531 198601 1 002
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. Secara umum dielektrik dibagi menjadi 3 (tiga) jenis yaitu dielektrik padat, cair dan udara. Kemampuan dielektrik dalam menahan medan listrik mempunyai batas-batas tertentu sesuai dengan material penyusun dan lingkungan sekitarnya. Apabila medan listrik yang diterapkan melebihi kekuatan dielektrik material tersebut maka akan terjadi tembus atau 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 tugas akhir 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 bola-bola 60,46%, pada elektroda jarum jarum 30,34% dan jarum piring 32,41%. Kata kunci : dielektrik, breakdown, kekuatan dielektrik, konduktivitas
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan rahmat-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul Pengaruh Ukuran Butiran Air Hujan Terhadap Tegangan Tembus Udara. Penulisan Tugas Akhir ini merupakan salah satu persyaratan untuk menyelesaikan studi dan memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,. Tugas Akhir ini penulis persembahkan untuk kedua orang tua tercinta, Ayahanda R. Sigalingging dan Ibunda R. Marbun yang telah membesarkan penulis dengan kasih sayang yang tak ternilai harganya, saudara kandung penulis, atas seluruh perhatian dan dukungannya hingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik. Selama masa kuliah sampai masa penyelesaian Tugas Akhir ini, penulis mendapat dukungan, bimbingan, dan bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu, dengan setulus hati penulis hendak menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak Ir. Hendra Zulkarnaen selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang telah banyak meluangkan waktu dan pikirannya untuk memberikan bantuan, bimbingan, dan pengarahan kepada penulis selama penyusunan Tugas Akhir ini. Terima kasih sebesarbesarnya penulis ucapkan untuk beliau, 2. Bapak F. Rizal Batubara, S.T, M.T. selaku Dosen Wali penulis, 3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim M.Si selaku Ketua Departemen Teknik Elektro USU dan Bapak Rahmat Fauzi, S.T, M.T selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT USU, 4. Seluruh staf pengajar dan administrasi Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, 5. Bapak Ir. Syahrawardi selaku Kepala Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi yang telah memberi masukan dan motivasi kepada penulis, 6. Abangda dan Kakanda serta keluarga besar saya yang selalu mendukung penulis, 7. Teman-teman stambuk 2009: Wangto, Kentrick, Raymond, Meta, Obet, Thanks, Ade, Joseph, Tumbur, Jhon, Candra, Metha, Rianto dan teman-teman lain yang tidak dapat
penulis sebutkan satu per satu serta seluruh keluarga besar IMTE (Ikatan Mahasiswa Teknik Elektro) yang selalu memberi dukungan kepada penulis, 8. Semua abang-kakak senior dan adik-adik junior yang telah mau berbagi pengalaman dan motivasi kepada penulis, khususnya kepada adik junior Yudi Iriandi, Samgar Siahaan, dan Andreas Simanjuntak yang membantu penulis saat melakukan pengujian dan pengambilan data, 9. Keluarga Besar Indonesia Harvest Church terutama kepada CG. USU yang selalu memberikan motivasi dan dukungan doa kepada penulis, 10. Semua orang yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu, penulis ucapkan terima kasih banyak. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini tidak luput dari kesalahan-kesalahn, baik dari segi tata bahasa maupun dari segi ilmiah. Untuk itu, penulis akan menerima dengan terbuka, segala saran dan kritik yang ditujukan untuk memperbaiki Tugas Akhir ini. Akhir kata, semoga Tugas Akhir ini bermanfaat bagi penulis dan pembaca. Medan, 2 Nopember 2013 Penulis, JOIN WAN CHANLYN S
DAFTAR ISI ABSTRAK... KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... i ii iv vii ix BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan... 2 1.3 Batasan Masalah... 2 1.4 Metode Penulisan... 3 1.5 Sistematika Penulisan... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Teori Kegagalan Isolasi... 5 2.1.1 Proses Ionisasi... 5 2.1.2 De-Ionisasi... 8 2.1.3 Emisi... 8 2.2 Mekanisme Tegangan Tembus Udara... 12 2.2.1 Mekanisme Townsend... 13 2.2.2 Mekanisme Streamer... 15 a. Streamer Positif... 16 b. Streamer Negatif... 18 2.3 Faktor yang Mempengaruhi Tegangan Tembus Udara... 20 2.4 Efek Kondisi Udara... 21 2.5 Pengertian Hujan dan Mekanisme Siklus Hidrologi... 24 2.5.1 Pengertian Hujan... 24 2.5.2 Mekanisme Siklus Hidrologi... 25 2.6 Pembentukan Butiran Air Hujan (Koalensi)... 27
2.7 Kecepatan Jatuh Tetesan Butiran Hujan... 29 2.8 Pengaruh Air Hujan Terhadap Perubahan Tegangan Tembus Udara... 33 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian... 37 3.2 Bahan Pengujian... 37 3.3 Alat Penelitian dan Spesifikasinya... 37 3.3.1 Kotak Uji... 38 3.3.2 Elektroda... 39 3.3.3 Pembuatan Simulasi Hujan... 41 3.4 Variasi Pengujian... 43 3.5 Prosedur Percobaan... 44 3.5.1 Pengujian Tegangan Tembus Udara Sebelum Dihujani... 44 3.5.2 Pengujian Tegangan Tembus Udara pada Saat Keadaan Hujan dengan Ukuran Butiran yang Bervariasi di Ketinggian Jatuh Hujan 1 Meter... 45 3.5.3 Pengujian Tegangan Udara pada Saat Keadaan Hujan dengan Ukuran Butiran yang Bervariasi di Ketinggian Jatuh Hujan 2 Meter dan 3 Meter... 46 3.6 Flowchart Penelitian... 49 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Data Pengujian... 51 4.2 Analisa Data... 51 4.2.1 Analisis Ukuran Butiran Air Hujan Terhadap Tegangan Tembus Udara... 55 4.2.2 Analisis Besar Persentase Penurunan Tegangan Tembus Udara Pada Berbagai Elektroda... 72 4.2.3 Analisis Pengaruh Kecepatan Butiran Hujan Terhadap Perubahan Tegangan Tembus Udara... 75
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan... 77 5.2 Saran... 78 DAFTAR PUSTAKA... 79 LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Proses Ionisasi... 6 Gambar 2.2 Ionisasi Benturan (collision) Elektron... 7 Gambar 2.3 Proses Terjadinya Emisi... 9 Gambar 2.4 Emisi Fotoelektrik... 10 Gambar 2.5 Emisi Benturan Ion Positif... 10 Gambar 2.6 Emisi Medan Tinggi... 11 Gambar 2.7 Emisi Thermis... 12 Gambar 2.8 Elektron elektron Bebas di Udara... 14 Gambar 2.9 Banjiran Elektron yang Menyebabkan Tembus Listrik... 15 Gambar 2.10 Medan pada Celah Karena Adanya Muatan Ruang... 16 Gambar 2.11 Ion Positif Masih Berada pada Posisinya Saat Elektron Telah Masuk ke Dalam Anoda... 17 Gambar 2.12 Terbentuknya Banjiran Muatan Sekunder dari Elektron Bebas Baru... 17 Gambar 2.13 Ion Positif dan Elektron Membentuk Plasma dan Banjiran Muatan Sekunder Lain Terbentuk... 18 Gambar 2.14 Medan Listrik pada Daerah R Berubah Karena Muatan pada Celah... 19 Gambar 2.15 Terbentuknya Banjiran Muatan Sekunder pada Daerah R... 19 Gambar 2.16 Terbentuknya Plasma dan Proses Plasma Memanjang... 20 Gambar 2.17 Nilai m, n dan w Untuk Berbagai Jarak Percikan... 23 Gambar 2.18 Siklus Hidrologi... 26 Gambar 2.19 Bentuk Butiran Air Hujan Menyerupai Bentuk Roti Hamburger... 28 Gambar 2.20 Grafik Kecepatan Tetesan Hujan Terhadap Massa dan Ketinggian Jatuh Hujan... 31 Gambar 2.21 Grafik Hubungan Antara Diameter Tetesan Terhadap Kecepatan dan Ketinggian Jatuh Air Hujan... 31 Gambar 3.1 Kotak Uji... 38 Gambar 3.2 Elektroda Bola... 39 Gambar 3.3 Elektroda Jarum... 40
Gambar 3.4 Elektroda Jarum Piring... 40 Gambar 3.5 Lubang Silinder Tabung Hujan yang Membuat Ukuran Butiran Air Hujan dapat diatur... 41 Gambar 3.6 Alat Pembuatan Simulasi Hujan... 42 Gambar 3.7 Rangkaian Percobaan Sebelum Dihujani... 44 Gambar 3.8 Rangkaian Percobaan pada Ketinggian Hujan 1 Meter... 45 Gambar 3.9 Rangkaian Percobaan pada Ketinggian Hujan 2 Meter dan 3 Meter... 47 Gambar 3.10 Diagram Alir Penelitian... 49 Gambar 4.1 Grafik Hubungan Ukuran Butiran Air Hujan dengan Tegangan Tembus Udara pada Kondisi Ketinggian Hujan 1 Meter... 55 Gambar 4.2 Grafik Hubungan Ukuran Butiran Air Hujan dengan Tegangan Tembus Udara pada Kondisi Ketinggian Hujan 2 Meter... 59 Gambar 4.3 Grafik Hubungan Ukuran Butiran Air Hujan dengan Tegangan Tembus Udara pada Kondisi Ketinggian Hujan 3 Meter... 62 Gambar 4.4 Grafik Hubungan Jarak Sela Elektroda dengan Tegangan Tembus Udara pada Berbagai Kondisi Keadaan Butiran Hujan di Ketinggian Hujan 1 Meter... 65 Gambar 4.5 Grafik Hubungan Jarak Sela Elektroda dengan Tegangan Tembus Udara pada Berbagai Kondisi Keadaan Butiran Hujan di Ketinggian Hujan 2 Meter... 67 Gambar 4.6 Grafik Hubungan Jarak Sela Elektroda dengan Tegangan Tembus Udara pada Berbagai Kondisi Keadaan Butiran Hujan di Ketinggian Hujan 3 Meter... 69 Gambar 4.7 Pengaruh Kecepatan Butiran Hujan Terhadap Perubahan Tegangan Tembus Udara pada Elektroda Bola Bola... 75 Gambar 4.8 Pengaruh Kecepatan Butiran Hujan Terhadap Perubahan Tegangan Tembus Udara pada Elektroda Jarum Jarum... 76 Gambar 4.9 Pengaruh Kecepatan Butiran Hujan Terhadap Perubahan Tegangan Tembus Udara pada Elektroda Jarum Piring... 76
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Ukuran, Massa dan Kecepatan Jatuh Butir Hujan... 30 Tabel 2.2 Kecepatan Tetesan Air Hujan Menurut Lenard dan Laws... 31 Tabel 2.3 Daftar Konstanta Dielektrik Beberapa Bahan pada Suhu Kamar... 34 Tabel 2.4 Karakteristik Air Hujan... 35 Tabel 4.1 Hubungan Antara Ukuran Butiran Air Hujan dengan Tegangan Tembus Udara pada Suhu 20 0 C dan Tekanan 760 mmhg pada Kondisi Ketinggian Jatuh Hujan 1 Meter... 52 Tabel 4.2 Hubungan Antara Ukuran Butiran Air Hujan dengan Tegangan Tembus Udara pada Suhu 20 0 C dan Tekanan 760 mmhg pada Kondisi Ketinggian Jatuh Hujan 2 Meter... 53 Tabel 4.3 Hubungan Antara Ukuran Butiran Air Hujan dengan Tegangan Tembus Udara pada Suhu 20 0 C dan Tekanan 760 mmhg pada Kondisi Ketinggian Jatuh Hujan 3 Meter... 54 Tabel 4.4 Persentase Penurunan Tegangan Tembus Udara pada Ketinggian Hujan 1 Meter... 72 Tabel 4.5 Persentase Penurunan Tegangan Tembus Udara pada Ketinggian Hujan 2 Meter... 73 Tabel 4.6 Persentase Penurunan Tegangan Tembus Udara pada Ketinggian Hujan 3 Meter... 74