KAMIS, 13 NOVEMBER 2008
Upaya penanggungalan sambaran Petir pada Peralatan Listrik dan Elektronika”
SATU-U M U M
Petir merupakan gejala alam yang kejadiannya tidak dapat dihindarkan ataupun dicegah. Kejadian sambaran petir dapat melibatkan pengaliran arus listrik yang sangat besar dalam waktu yang sangat singkat namun bahaya yang dapat ditimbulkannya sangat besar. Kemajuan teknologi hasil penelitian bidang teknik tegangan dan arus tinggi memberikan manfaat bagi pencegahan bahaya yang ditimbulkan sambaran petir dengan diketahuinya parameter-parameter arus petir dan diperolehnya kemajuan dalam bidang peralatan-peralatan penangkal petir. Langkah-langkah utama dalam pencegahan bahaya sambaran petir pada dasarnya ditujukan kepada dua sasaran pokok yaitu :
a) Sambaran petir yang terjadi baik langsung maupun tidak langsung tidak menimbulkan bahaya kebakaran, kerusakan, dan kematian
b) Sambaran petir tidak menyebabkan terjadinya gangguan pengoperasian peralatan listrik maupun elektronik.
Konsep dasar yang mendasari langkah-langkah tersebut adalah konsep lokalisasi titik-titik sambaran, konsep penerapan penyamaan potensial sehingga dapat dihindarkan terjadinya spark busur listrik di tempat-tempat yang explosive serta penyamaan potensial di peralatan elektronik yang sensitif. Kemajuan teknologi arrester telah mampu membantu penerapan sistem penangkal petir internal yang benar guna menghindarkan terjadinya kerusakan instalasi elektronik yang digunakan pada telekomunikasi, kontrol dan instrumentasi.
DUA-DASAR-DASAR UMUM
PENANGKAL PETIR
2.1 Prinsip-prinsip Dasar Penangkal Petir
Penangkal petir untuk melindungi bangunan-bangunan beserta isinya terhadap perusakan akibat sambaran petir.
2.3 Langkah-langkah Perlindungan Terhadap Bahaya Sambaran Petir
2.3.1 Material dan Instalasi
Pemilihan dan pemasangan finial, konduktor penyalur arus petir dan hubungan pentanahan harus mengikuti persyaratan yang ditetapkan dan diuraikan dalam bab berikut ini. Finial yang berupa kawat-kawat tanah lintas atas yang menghubungkan dua menara harus terbuat dari bahan non korosif untuk kondisi setempat, dengan ukuran yang sama dengan luas penampang konduktor utama dengan andongan yang memadai untuk segala kondisi. Material-material yang dapat digunakan adalah alumunium, tembaga, Cu atau Al clad steel, baja galvanis atau baja tahan karat.
2.3.2 Batang-batang, Menara-menara dan Kawat-kawat tanah lintas atas
2.3.2.a Penentuan zona proteksi suatu menara penangkal petir didasarkan pada jarak terkam (lightning distance) suatu sambaran petir. Panjang jarak terkam ditentukan oleh besarnya arus puncak sambaran petir. Semakin besar arus petir, semakin panjang juga jarak terkamnya. Zona proteksi yang dimiliki setiap konfigurasi menara atau bangunan konduktif yang tinggi dapat dengan mudah ditentukan secara grafis. Peninggian menara yang melebihi panjang jarak terkam tidak banyak meningkatkan sudut perlindungan menara.
2.3.2.b Zona proteksi suatu kawat tanah lintas atas didasarkan pada jarak terkam yang didasarkan pada teori elektro-geometri dengan sudut lindung concave ke atas yang dikembangkan sebagai metode Rolling Sphere.
2.3.2.c Untuk menghindari terjadinya loncatan samping (side flash), jarak minimum antara menara atau kawat tanah lintas atas ke bangunan yang diproteksi ( D ) harus tidak kurang dari jarak loncat samping (side flash distance) yang ditentukan dengan :
D = h/6
dimana h adalah tinggi bangunan yang dilindungi
2.3.3 Tiang-tiang kayu yang digunakan sebagai penangkal petir, harus dilengkapi dengan ujung finial logam di atas tiang, penghantar penyalur arus petir (down conductor) dan dihubungkan dengan pentanahan. Untuk tiang terbuat dari logam, dapat digunakan logam tersebut sebagai penghantar penyalur arus petir.
TIGA-PERENCANAAN
SISTEM PENANGKAL PETIR
Instalasi penangkal petir pada hakekatnya adalah instalasi yang dipasang dengan maksud mencegah, menghindari dan mengurangi bahaya yang ditimbulkan oleh kejadian sambaran petir. Yang dimaksud dengan istilah penangkal petir adalah penangkal bahaya yang ditimbulkan oleh sambaran petir. Bahaya yang dapat ditimbulkan meliputi “bahaya langsung” (direct effect) dan “bahaya tidak langsung” (indirect effect). Upaya yang dilakukan untuk mencegah terjadinya bahaya tersebut adalah pengadaan sistem penangkal petir terintegrasi yang meliputi “penangkal petir eksternal” dan “penangkal petir internal”.
3.1 Penangkal Petir Eksternal
Penangkal petir eksternal menghindari bahaya langsung maupun tidak langsung suatu sambaran petir pada aksesoris-aksesoris bangunan tinggi, menara telekomunikasi dan bagian-bagian luar bangunan, termasuk juga menghindari bahaya terhadap manusia yang berada di luar gedung. Penangkal eksternal pada dasarnya terdiri dari finial penangkal petir, konduktor penyalur arus petir, dan pentanahan.
3.1.1 Finial Sambaran Petir (Air Termination )
Finial sambaran petir yang terbuat dari logam (biasanya terbuat dari logam tembaga) merupakan titik sambar petir yang kemudian mengalirkan arus petir ke tanah dan mencegah terjadinya sambaran petir di tempat lain di daerah yang dilindunginya. Finial akan menerima pembebanan panas yang tinggi sehingga dalam pemilihan jenis logam, ketebalan dan bentuknya ditentukan oleh pertimbangan besarnya muatan arus petir (Q).
Yang dapat digunakan sebagai finial penangkal petir adalah logam yang khusus dipasang di bagian teratas bangunan atau menara, dengan bentuk berupa batang tegak atau penghantar mendatar. Daerah lindung atau sudut lindung suatu finial penangkal petir ditentukan oleh “jarak sambar” suatu sambaran petir yang panjangnya ditentukan oleh tingginya arus petir. Teori yang mendasari penentuan daerah lindung tersebut adalah teori “Elektro-geometri”
Teori Elektro-geometri adalah teori yang mengkaitkan hubungan antara sifat listrik sambaran petir dengan geometri sistem penangkal petir. Teori ini semula dikembangkan untuk pembuatan elektro-geometri pada saluran transmisi tagangan tinggi. Berdasarkan teori elektro-geometri pada saluran transmisi ini dikembangkan suatu model elektrogeometri pada sistem penangkal petir bangunan, dimana finialnya berupa batang tegak (finial Franklin) dan suatu penghantar mendatar sangkar faraday.
Model elektro-geometri didasarkan pada hipotesa sebagai berikut:
· Jika suatu kepala lidah petir yang dalam pergerakannya mendekati obyek sambaran bumi telah mencapai suatu “titik sambar” utama, maka petir akan mengenai obyek sambaran melalui jarak terpendek.
· Jarak sambar petir ditentukan oleh tinggi arus puncak petir sambaran pertama dan dinyatakan menurut Amstrong dan Whitehead yang didasarkan pada rumus Wagner dan hasil percobaan L Paris dan Watanabe dengan persamaan sebagai berikut :
hB = 6,7 I 0,8 meter (3.1)
dimana I adalah puncak arus petir sambaran pertama dalam kA
Model “Elektro-geometri” dengan memperhatikan besarnya jarak sambar hB merupakan dasar yang digunakan untuk menentukan daerah lindung susunan dasar finial penangkal petir. Adapun sudut lindung suatu finial tegak diperlihatkan oleh gambar 3.1 dengan besar sudut lindung j sebesar :
j = arc sin (1 - h/hb ) dalam [0] (3.2)
Susunan finial penangkal petir dapat berupa finial batang tegak; susunan finial mendatar dan finial-finial lain dengan memanfaatkan benda logam yang terpasang di atas bangunan seperti atap logam, menara logam dan lain-lain. Tingkat perlindungan yang diinginkan menentukan susunan dan jumlah finial, dimensi dan jenis bahan finial serta konstruksinya dan semua ini secara besaran arus petir ditentukan oleh tingginya arus puncak petir (I) dan muatan arus petir (Q).
Contoh menghitung menara dengan Finial Franklin
Berdasar sudut lindungnya, arus sambaran petir yang akan mengenai menara dapat dibatasi sampai sekitar 100 kA dan perhitungan sudut lindung diperoleh dengan :
hB = 6,7(100)0,8 meter
= 266,73 meter
dan dengan ketinggian tower (h) setinggi 32 m, maka akan diperoleh sudut lindung sebesar :
j = arc sin (1 - 32/266.73 ) 0
= 620
Pentanahan tower dapat dibuat terpisah sendiri, dengan sistem pentanahan yang baik, atau digabung dengan pentanahan mesh dari sistem.
3.1.2 Konduktor Penyalur Arus Petir ( Down Conductor )
Arus sambaran petir yang mengenai finial atau tangki harus secara cepat dialirkan ke tanah dengan pengadaan sistem penyaluran arus petir melalui jalan terpendek dengan tanpa menimbulkan percikan busur listrik. Dimensi atau luas penampang, jumlah dan route penghantar ditentukan oleh kuadrat arus impuls sesuai dengan tingkat perlindungan yang ditentukan serta tingginya arus puncak petir. Demikian pula pengaliran arus petir harus dihindarkan terjadinya beda potensial yang tinggi yang dapat menimbulkan loncatan listrik sebagai gambaran dari bahaya yang dapat timbul dalam hal ini sebagai berikut :
Jika terjadi sambaran pada ujung paling atas dari antena, sedangkan antena tersebut terisolasi dari rangka tower/menara, maka akan terjadi pembangkitan tegangan yang sangat berbahaya terhadap peralatan tersebut. Misalkan panjang antena sekitar 5 m, sambaran arus petir misalkan sebesar 40 kA (8/50 ms), dan besar induktansi antena sekitar 1 mH/meter, dapat dihitung besarnya tegangan yang dibangkitkan oleh sambaran petir di atas tangki (UWS), dari :
L = 5 mH
dI/dt = 40 kA / 8ms = 5 kA / ms
diperoleh :
UWS = L dI/dt = 25 kV.
3.1.3 Sistem Pentanahan
Kemampuan tangki dalam membuang arus sambaran petir ke tanah ditentukan oleh nilai tahanan pentanahan (ohm) yang menentukan tinggi rendahnya potensial yang terjadi pada tangki. Semakin kecil nilai tahanannya akan semakin rendah potensial atau tegangan yang terjadi pada tangki. Besar kecilnya tahanan pentanahan antara lain ditentukan oleh tahanan jenis tanah (rE ) serta lebar permukaan konduktor pentanahan. Di bawah ini diberikan tabel mengenai besarnya tahanan jenis tanah.
Tabel 3.1. Tahanan Jenis Tanah
Jenis Tanah rE (Wm)
Humus basah 30
Pasir basah 200
Tanah kering 1000
Berbatu-batu 3000
Besarnya tahanan pentanahan ditentukan oleh panjang konduktor pentanahan (l), jari-jari batang pentanahan (r), dan tahanan jenis tanah (rE), yaitu :
Rst » . ln
Saat ini telah dikembangkan teknik pentanahan dengan menggunakan butiran-butiran konduktif yang ditanam dalam tanah. Dengan teknik ini besarnya tahanan pentanahan dapat diperkecil lagi. Namun teknologi ini masih cukup mahal. Oleh karena itu pemakaian batang pentanahan tembaga (grounding rod) masih mencukupi untuk digunakan pada areal tangki timbun. Semakin banyak pemakaian batang pentanahan akan memperkecil tahanan pentanahan
Pada dasarnya suatu sistem pentanahan adalah dibuat sedemikian rupa sehingga diperoleh kesamaan potensial yang tidak menimbulkan bahaya loncat listrik akibat beda potensial yang besar. Yang penting di sini adalah upaya penyamaan potensial dan bukannya tinggi rendahnya tahanan pentanahan saja. Memang diinginkan suatu sistem pentanahan dengan nilai tahanan pentanahan yang terendah, karena dengan demikian potensial yang terjadi tidak tinggi dan beda potensialnya juga rendah.
3.2 Penangkal Petir Internal
Dalam penangkal petir internal antara lain dilakukan dengan pemasangan potential equalizing bar (PEB) atau juga disebut equipotential bonding (EB) dan peralatan penangkal tegangan lebih seperti arrester, trafo atau filter.
3.2.1 Equipotential Bonding (EB)
Penyamaan potensial listrik adalah suatu usaha yang sangat penting untuk mengurangi bahaya kebakaran atau ledakan dalam lokasi yang diproteksi. Penyamaan potensial listrik ini dapat dilakukan antara lain dengan konduktor bonding pada struktur yang terbuat dari logam, instalasi dari bahan logam, bagian-bagian konduktif yang lain dan instalasi elektrik dan telekomunikasi dalam lokasi yang diproteksi. Suatu sistem penangkal petir adalah integrasi dari penangkal eksternal dengan penangkal petir internal. Suatu sistem penangkal petir internal terdiri dari sistem pentanahan internal (internal grounding) yang menggabungkan PEB (Potential Equalizing Bar) yang merupakan referensi pentanahan dan sistem arrester tegangan dan arrester arus.
Konsep dasar sistem penangkal petir internal adalah upaya pengamanan potensial di semua titik pada saat terjadi sambaran petir. Titik-titik yang disamakan potensialnya adalah titik-titik pentanahan, saluran daya listrik (electrical power supply), saluran telekomunikasi, instrumentasi, kontrol dan lainnya.
Penyamaan potensial di titik pentanahan adalah dengan pengadaan internal grounding yang menghubungkan PEB-PEB yang ada, dengan penerapan “One Point Earthing” atau “Multi Point Earthing” seperti disarankan dalam IEC-Giude Line. Untuk kemudahan operasi dan pengembangan di sini disarankan konsep “One Point Earthing” dengan satu saluran penghubungan internal grounding ke eksternal grounding.
Penyamaan potensial pada saluran daya listrik digunakan peralatan proteksi tegangan lebih (arrester tegangan) dan arrester arus, dan penyamaan potensial pada saluran komunikasi, instrumentasi dan kontrol digunakan arrester yang sesuai.
3.2.2 Proteksi Tegangan Lebih
Untuk mendapatkan optimalisasi ekonomis dalam penerapan sistem penangkal internal, maka tidak semua panel peralatan listrik diberi peralatan proteksi tegangan lebih (arrester). Peletakannya diupayakan seefektif mungkin dengan penerapan dikembangkan konsep zoning proteksi.
Konsep zoning proteksi membagi cakupan yang akan diproteksi dalam zone-zone proteksi, yang dibentuk oleh dinding bangunan, ruangan-ruangan dan peralatan-peralatan dengan permukaan dari logam seperti bangunan logam. Diawali dari sisi luarnya (zone proteksi 0), dimana sambaran petir langsung atau kenaikan medan elektromagnetik yang tinggi dapat terjadi, zone-zone proteksi yang berikutnya sesuai dengan penurunan level resiko gangguan akibat sambaran petir maupun induksinya. Instalasi-instalasi elektronik yang terproteksi oleh konsep ini dapat terus beroperasi tanpa gangguan dalam suatu lingkungan medan elektromagnetik yang terpengaruh oleh sambaran petir langsung dan lokal.
LPZ 0A : sambaran petir langsung & terjadi medan elektromagnet yang tinggi
LPZ 0B : tidak ada sambaran langsung tapi medan elektromagnet tinggi
LPZ 1 : tanpa sambaran langsung, medan elektromagnet lemah
LPZ 2 : daerah dengan medan elektromagnet yang lemah
LPZ 3 : area proteksi di dalam peralatan
Suatu Suatu saluran baik saluran daya listrik, telekomunikasi, dan lain-lain yang melalui perubahan zoning proteksi petir harus dilengkapi dengan peralatan arrester proteksi tegangan lebih.
1. Penangkal petir untuk interface Zone 0A/1 : Penyama potensial berupa bonding bar diimplementasikan pada penangkal petir interface Zone 0A/1 dengan menggabungkan semua bagian dalam sistem pipa. Pada interface zone, semua jenis arrester yang dapat digunakan adalah seperti yang disebut berikut ini, atau dapat digunakan arrester lain yang sejenis dan setingkat dengannya :
a) Pada panel utama distribusi listrik : arrester arus dengan kombinasi arrester tegangan yang dihubungkan dengan suatu induktansi dipasang untuk bahaya petir tingkat 10/350 ms atau cukup dengan arrester tegangan untuk bahaya petir tingkat 8/20 ms. Untuk peletakkan arrester di depan genset atau panel induk utama perlu dilengkapi dengan NH-Fuse. Pulse Counter dapat dipasang antara arrester dengan pentanahan untuk menentukan ada tidaknya sambaran petir yang mengenai instalasi;
b) Pada panel utama distribusi telekomunikasi perlu dipasang arrester tegangan lebih seperti tipe coarse arrester atau Fine Arrester lengkap dengan dudukan LSA-Plus dan Earth-Plate;
c) Pada jaringan informasi dipakai arrester arus petir fine arrester dengan konektor yang sesuai;
d) Pada HTP yang terhubung ke sistem kabel broad band dipakai arrester yang sesuai;
e) Pada kabel antene coaxial dipasang arreter coaxial tipe N, U, atau BNC.
2. Penangkal petir untuk interface Zone 0B/1 dan 1/2 : Pada interface ini dipakai arrester tegangan lebih untuk meminimalkan pengaruh dari induksi medan elektromagnetik yang tinggi, antara lain :
¨ Pada panel distribusi listrik dipasang arrester tegangan;
¨ Pada panel distribusi telekomunikasi dipasang Coarse arrester atau fine arrester;
¨ Pada PLC dapat dipasang arrester jenis Fine Arrester Cascade.
3. Penangkal petir untuk interface Zone 2/3 : Pada peralatannya sendiri perlu dipasang penangkal tegangan lebih yang lebih halus, antara lain :
¨ Pada komputer PC : untuk sumber tegangannya dipasang arrester stop kontak, pada harddisk-nya dipasang DSM-RJ45 10 base T, atau disesuaikan connectornya.
¨ Pada Server : untuk sumber tegangan dipasang stop kontak arrester, sedangkan pada kabel data dipasang coaxial arrester dengan connector tipe U, N, atau BNC & Twinax.
¨ Pada Facsimile : untuk catu daya dipasang arrester stop kontak FAX-Protector.
Untuk memotong gelombang terpa tegangan lebih yang sangat curam akibat sambaran petir, yang tidak mampu dipotong oleh arrester, dapat digunakan isolating transformer. Trafo yang dipasang adalah trafo 1:1, dan karakteristik trafo yang dimanfaatkan adalah induktansinya. Kemudian pada terminal primernya baru dipasangkan arrester. Trafo ini perlu untuk dipasang pada kabel daya untuk lampu menara yang berkemungkinan tersambar petir secara langsung atau tidak langsung.
Untuk peralatan yang sampai ke field, saat ini telah dikembangkan teknik Intrinsicaly Safe (IS). IS merupakan suatu teknik dalam instrumentasi elektronik dengan pembatasan energi elektrik sampai pada tingkat yang tidak membahayakan kondisi field yang flammeable. Aplikasi IS untuk instrumentasi berkembang dengan cepat karena perkembangan shunt-diode safety barrier. Ini adalah peralatan self-contained, yang dapat dihubungkan secara seri dengan kabel signal antara ruang kontrol dengan lokasi eksplosif (field), dan akan melewatkan signal pengukuran dan kontrol tanpa pengaruh yang berarti, dengan membatasi energi yang dapat disalurkan saat kondisi kegagalannya ke tingkat yang aman. Dengan bergantung pada sekering khusus, komponen pembatas tegangan semikonduktor yang baru yaitu dioda Zener, dan resistor seri dimana tidak akan terjadi hubung singkat yang bisa mengakibatkan kebakaran di areal yang flammeable.
EMPAT KESIMPULAN
§ Petir merupakan gejala alam yang kejadiannya tidak dapat dihindarkan ataupun dicegah
• Upaya penanggulangan sambaran petir pada peralatan listrik dan elektronik harus dilakukan dengan sistem yang terintegrasi, yaitu penangkal petir eksternal dan penangkal petir internal
REFERENSI
1. Direktorat PPDN, “Petunjuk praktis perancangan, pemasangan, dan pemeliharaan system penangkal petir instalasi tangki timbun BBM”.
2. NFPA 780 Lightning Protection Code
3. IEC 1024 - 1990
4. Martin A Uman, “Lightning”, Dover Publication,Inc, New York, 1984
Oleh : Ir.Margo Pujiantara,M.T
Petir merupakan gejala alam yang kejadiannya tidak dapat dihindarkan ataupun dicegah. Kejadian sambaran petir dapat melibatkan pengaliran arus listrik yang sangat besar dalam waktu yang sangat singkat namun bahaya yang dapat ditimbulkannya sangat besar. Kemajuan teknologi hasil penelitian bidang teknik tegangan dan arus tinggi memberikan manfaat bagi pencegahan bahaya yang ditimbulkan sambaran petir dengan diketahuinya parameter-parameter arus petir dan diperolehnya kemajuan dalam bidang peralatan-peralatan penangkal petir. Langkah-langkah utama dalam pencegahan bahaya sambaran petir pada dasarnya ditujukan kepada dua sasaran pokok yaitu :
a) Sambaran petir yang terjadi baik langsung maupun tidak langsung tidak menimbulkan bahaya kebakaran, kerusakan, dan kematian
b) Sambaran petir tidak menyebabkan terjadinya gangguan pengoperasian peralatan listrik maupun elektronik.
Konsep dasar yang mendasari langkah-langkah tersebut adalah konsep lokalisasi titik-titik sambaran, konsep penerapan penyamaan potensial sehingga dapat dihindarkan terjadinya spark busur listrik di tempat-tempat yang explosive serta penyamaan potensial di peralatan elektronik yang sensitif. Kemajuan teknologi arrester telah mampu membantu penerapan sistem penangkal petir internal yang benar guna menghindarkan terjadinya kerusakan instalasi elektronik yang digunakan pada telekomunikasi, kontrol dan instrumentasi.
DUA-DASAR-DASAR UMUM
PENANGKAL PETIR
2.1 Prinsip-prinsip Dasar Penangkal Petir
Penangkal petir untuk melindungi bangunan-bangunan beserta isinya terhadap perusakan akibat sambaran petir.
2.3 Langkah-langkah Perlindungan Terhadap Bahaya Sambaran Petir
2.3.1 Material dan Instalasi
Pemilihan dan pemasangan finial, konduktor penyalur arus petir dan hubungan pentanahan harus mengikuti persyaratan yang ditetapkan dan diuraikan dalam bab berikut ini. Finial yang berupa kawat-kawat tanah lintas atas yang menghubungkan dua menara harus terbuat dari bahan non korosif untuk kondisi setempat, dengan ukuran yang sama dengan luas penampang konduktor utama dengan andongan yang memadai untuk segala kondisi. Material-material yang dapat digunakan adalah alumunium, tembaga, Cu atau Al clad steel, baja galvanis atau baja tahan karat.
2.3.2 Batang-batang, Menara-menara dan Kawat-kawat tanah lintas atas
2.3.2.a Penentuan zona proteksi suatu menara penangkal petir didasarkan pada jarak terkam (lightning distance) suatu sambaran petir. Panjang jarak terkam ditentukan oleh besarnya arus puncak sambaran petir. Semakin besar arus petir, semakin panjang juga jarak terkamnya. Zona proteksi yang dimiliki setiap konfigurasi menara atau bangunan konduktif yang tinggi dapat dengan mudah ditentukan secara grafis. Peninggian menara yang melebihi panjang jarak terkam tidak banyak meningkatkan sudut perlindungan menara.
2.3.2.b Zona proteksi suatu kawat tanah lintas atas didasarkan pada jarak terkam yang didasarkan pada teori elektro-geometri dengan sudut lindung concave ke atas yang dikembangkan sebagai metode Rolling Sphere.
2.3.2.c Untuk menghindari terjadinya loncatan samping (side flash), jarak minimum antara menara atau kawat tanah lintas atas ke bangunan yang diproteksi ( D ) harus tidak kurang dari jarak loncat samping (side flash distance) yang ditentukan dengan :
D = h/6
dimana h adalah tinggi bangunan yang dilindungi
2.3.3 Tiang-tiang kayu yang digunakan sebagai penangkal petir, harus dilengkapi dengan ujung finial logam di atas tiang, penghantar penyalur arus petir (down conductor) dan dihubungkan dengan pentanahan. Untuk tiang terbuat dari logam, dapat digunakan logam tersebut sebagai penghantar penyalur arus petir.
TIGA-PERENCANAAN
SISTEM PENANGKAL PETIR
Instalasi penangkal petir pada hakekatnya adalah instalasi yang dipasang dengan maksud mencegah, menghindari dan mengurangi bahaya yang ditimbulkan oleh kejadian sambaran petir. Yang dimaksud dengan istilah penangkal petir adalah penangkal bahaya yang ditimbulkan oleh sambaran petir. Bahaya yang dapat ditimbulkan meliputi “bahaya langsung” (direct effect) dan “bahaya tidak langsung” (indirect effect). Upaya yang dilakukan untuk mencegah terjadinya bahaya tersebut adalah pengadaan sistem penangkal petir terintegrasi yang meliputi “penangkal petir eksternal” dan “penangkal petir internal”.
3.1 Penangkal Petir Eksternal
Penangkal petir eksternal menghindari bahaya langsung maupun tidak langsung suatu sambaran petir pada aksesoris-aksesoris bangunan tinggi, menara telekomunikasi dan bagian-bagian luar bangunan, termasuk juga menghindari bahaya terhadap manusia yang berada di luar gedung. Penangkal eksternal pada dasarnya terdiri dari finial penangkal petir, konduktor penyalur arus petir, dan pentanahan.
3.1.1 Finial Sambaran Petir (Air Termination )
Finial sambaran petir yang terbuat dari logam (biasanya terbuat dari logam tembaga) merupakan titik sambar petir yang kemudian mengalirkan arus petir ke tanah dan mencegah terjadinya sambaran petir di tempat lain di daerah yang dilindunginya. Finial akan menerima pembebanan panas yang tinggi sehingga dalam pemilihan jenis logam, ketebalan dan bentuknya ditentukan oleh pertimbangan besarnya muatan arus petir (Q).
Yang dapat digunakan sebagai finial penangkal petir adalah logam yang khusus dipasang di bagian teratas bangunan atau menara, dengan bentuk berupa batang tegak atau penghantar mendatar. Daerah lindung atau sudut lindung suatu finial penangkal petir ditentukan oleh “jarak sambar” suatu sambaran petir yang panjangnya ditentukan oleh tingginya arus petir. Teori yang mendasari penentuan daerah lindung tersebut adalah teori “Elektro-geometri”
Teori Elektro-geometri adalah teori yang mengkaitkan hubungan antara sifat listrik sambaran petir dengan geometri sistem penangkal petir. Teori ini semula dikembangkan untuk pembuatan elektro-geometri pada saluran transmisi tagangan tinggi. Berdasarkan teori elektro-geometri pada saluran transmisi ini dikembangkan suatu model elektrogeometri pada sistem penangkal petir bangunan, dimana finialnya berupa batang tegak (finial Franklin) dan suatu penghantar mendatar sangkar faraday.
Model elektro-geometri didasarkan pada hipotesa sebagai berikut:
· Jika suatu kepala lidah petir yang dalam pergerakannya mendekati obyek sambaran bumi telah mencapai suatu “titik sambar” utama, maka petir akan mengenai obyek sambaran melalui jarak terpendek.
· Jarak sambar petir ditentukan oleh tinggi arus puncak petir sambaran pertama dan dinyatakan menurut Amstrong dan Whitehead yang didasarkan pada rumus Wagner dan hasil percobaan L Paris dan Watanabe dengan persamaan sebagai berikut :
hB = 6,7 I 0,8 meter (3.1)
dimana I adalah puncak arus petir sambaran pertama dalam kA
Model “Elektro-geometri” dengan memperhatikan besarnya jarak sambar hB merupakan dasar yang digunakan untuk menentukan daerah lindung susunan dasar finial penangkal petir. Adapun sudut lindung suatu finial tegak diperlihatkan oleh gambar 3.1 dengan besar sudut lindung j sebesar :
j = arc sin (1 - h/hb ) dalam [0] (3.2)
Susunan finial penangkal petir dapat berupa finial batang tegak; susunan finial mendatar dan finial-finial lain dengan memanfaatkan benda logam yang terpasang di atas bangunan seperti atap logam, menara logam dan lain-lain. Tingkat perlindungan yang diinginkan menentukan susunan dan jumlah finial, dimensi dan jenis bahan finial serta konstruksinya dan semua ini secara besaran arus petir ditentukan oleh tingginya arus puncak petir (I) dan muatan arus petir (Q).
Contoh menghitung menara dengan Finial Franklin
Berdasar sudut lindungnya, arus sambaran petir yang akan mengenai menara dapat dibatasi sampai sekitar 100 kA dan perhitungan sudut lindung diperoleh dengan :
hB = 6,7(100)0,8 meter
= 266,73 meter
dan dengan ketinggian tower (h) setinggi 32 m, maka akan diperoleh sudut lindung sebesar :
j = arc sin (1 - 32/266.73 ) 0
= 620
Pentanahan tower dapat dibuat terpisah sendiri, dengan sistem pentanahan yang baik, atau digabung dengan pentanahan mesh dari sistem.
3.1.2 Konduktor Penyalur Arus Petir ( Down Conductor )
Arus sambaran petir yang mengenai finial atau tangki harus secara cepat dialirkan ke tanah dengan pengadaan sistem penyaluran arus petir melalui jalan terpendek dengan tanpa menimbulkan percikan busur listrik. Dimensi atau luas penampang, jumlah dan route penghantar ditentukan oleh kuadrat arus impuls sesuai dengan tingkat perlindungan yang ditentukan serta tingginya arus puncak petir. Demikian pula pengaliran arus petir harus dihindarkan terjadinya beda potensial yang tinggi yang dapat menimbulkan loncatan listrik sebagai gambaran dari bahaya yang dapat timbul dalam hal ini sebagai berikut :
Jika terjadi sambaran pada ujung paling atas dari antena, sedangkan antena tersebut terisolasi dari rangka tower/menara, maka akan terjadi pembangkitan tegangan yang sangat berbahaya terhadap peralatan tersebut. Misalkan panjang antena sekitar 5 m, sambaran arus petir misalkan sebesar 40 kA (8/50 ms), dan besar induktansi antena sekitar 1 mH/meter, dapat dihitung besarnya tegangan yang dibangkitkan oleh sambaran petir di atas tangki (UWS), dari :
L = 5 mH
dI/dt = 40 kA / 8ms = 5 kA / ms
diperoleh :
UWS = L dI/dt = 25 kV.
3.1.3 Sistem Pentanahan
Kemampuan tangki dalam membuang arus sambaran petir ke tanah ditentukan oleh nilai tahanan pentanahan (ohm) yang menentukan tinggi rendahnya potensial yang terjadi pada tangki. Semakin kecil nilai tahanannya akan semakin rendah potensial atau tegangan yang terjadi pada tangki. Besar kecilnya tahanan pentanahan antara lain ditentukan oleh tahanan jenis tanah (rE ) serta lebar permukaan konduktor pentanahan. Di bawah ini diberikan tabel mengenai besarnya tahanan jenis tanah.
Tabel 3.1. Tahanan Jenis Tanah
Jenis Tanah rE (Wm)
Humus basah 30
Pasir basah 200
Tanah kering 1000
Berbatu-batu 3000
Besarnya tahanan pentanahan ditentukan oleh panjang konduktor pentanahan (l), jari-jari batang pentanahan (r), dan tahanan jenis tanah (rE), yaitu :
Rst » . ln
Saat ini telah dikembangkan teknik pentanahan dengan menggunakan butiran-butiran konduktif yang ditanam dalam tanah. Dengan teknik ini besarnya tahanan pentanahan dapat diperkecil lagi. Namun teknologi ini masih cukup mahal. Oleh karena itu pemakaian batang pentanahan tembaga (grounding rod) masih mencukupi untuk digunakan pada areal tangki timbun. Semakin banyak pemakaian batang pentanahan akan memperkecil tahanan pentanahan
Pada dasarnya suatu sistem pentanahan adalah dibuat sedemikian rupa sehingga diperoleh kesamaan potensial yang tidak menimbulkan bahaya loncat listrik akibat beda potensial yang besar. Yang penting di sini adalah upaya penyamaan potensial dan bukannya tinggi rendahnya tahanan pentanahan saja. Memang diinginkan suatu sistem pentanahan dengan nilai tahanan pentanahan yang terendah, karena dengan demikian potensial yang terjadi tidak tinggi dan beda potensialnya juga rendah.
3.2 Penangkal Petir Internal
Dalam penangkal petir internal antara lain dilakukan dengan pemasangan potential equalizing bar (PEB) atau juga disebut equipotential bonding (EB) dan peralatan penangkal tegangan lebih seperti arrester, trafo atau filter.
3.2.1 Equipotential Bonding (EB)
Penyamaan potensial listrik adalah suatu usaha yang sangat penting untuk mengurangi bahaya kebakaran atau ledakan dalam lokasi yang diproteksi. Penyamaan potensial listrik ini dapat dilakukan antara lain dengan konduktor bonding pada struktur yang terbuat dari logam, instalasi dari bahan logam, bagian-bagian konduktif yang lain dan instalasi elektrik dan telekomunikasi dalam lokasi yang diproteksi. Suatu sistem penangkal petir adalah integrasi dari penangkal eksternal dengan penangkal petir internal. Suatu sistem penangkal petir internal terdiri dari sistem pentanahan internal (internal grounding) yang menggabungkan PEB (Potential Equalizing Bar) yang merupakan referensi pentanahan dan sistem arrester tegangan dan arrester arus.
Konsep dasar sistem penangkal petir internal adalah upaya pengamanan potensial di semua titik pada saat terjadi sambaran petir. Titik-titik yang disamakan potensialnya adalah titik-titik pentanahan, saluran daya listrik (electrical power supply), saluran telekomunikasi, instrumentasi, kontrol dan lainnya.
Penyamaan potensial di titik pentanahan adalah dengan pengadaan internal grounding yang menghubungkan PEB-PEB yang ada, dengan penerapan “One Point Earthing” atau “Multi Point Earthing” seperti disarankan dalam IEC-Giude Line. Untuk kemudahan operasi dan pengembangan di sini disarankan konsep “One Point Earthing” dengan satu saluran penghubungan internal grounding ke eksternal grounding.
Penyamaan potensial pada saluran daya listrik digunakan peralatan proteksi tegangan lebih (arrester tegangan) dan arrester arus, dan penyamaan potensial pada saluran komunikasi, instrumentasi dan kontrol digunakan arrester yang sesuai.
3.2.2 Proteksi Tegangan Lebih
Untuk mendapatkan optimalisasi ekonomis dalam penerapan sistem penangkal internal, maka tidak semua panel peralatan listrik diberi peralatan proteksi tegangan lebih (arrester). Peletakannya diupayakan seefektif mungkin dengan penerapan dikembangkan konsep zoning proteksi.
Konsep zoning proteksi membagi cakupan yang akan diproteksi dalam zone-zone proteksi, yang dibentuk oleh dinding bangunan, ruangan-ruangan dan peralatan-peralatan dengan permukaan dari logam seperti bangunan logam. Diawali dari sisi luarnya (zone proteksi 0), dimana sambaran petir langsung atau kenaikan medan elektromagnetik yang tinggi dapat terjadi, zone-zone proteksi yang berikutnya sesuai dengan penurunan level resiko gangguan akibat sambaran petir maupun induksinya. Instalasi-instalasi elektronik yang terproteksi oleh konsep ini dapat terus beroperasi tanpa gangguan dalam suatu lingkungan medan elektromagnetik yang terpengaruh oleh sambaran petir langsung dan lokal.
LPZ 0A : sambaran petir langsung & terjadi medan elektromagnet yang tinggi
LPZ 0B : tidak ada sambaran langsung tapi medan elektromagnet tinggi
LPZ 1 : tanpa sambaran langsung, medan elektromagnet lemah
LPZ 2 : daerah dengan medan elektromagnet yang lemah
LPZ 3 : area proteksi di dalam peralatan
Suatu Suatu saluran baik saluran daya listrik, telekomunikasi, dan lain-lain yang melalui perubahan zoning proteksi petir harus dilengkapi dengan peralatan arrester proteksi tegangan lebih.
1. Penangkal petir untuk interface Zone 0A/1 : Penyama potensial berupa bonding bar diimplementasikan pada penangkal petir interface Zone 0A/1 dengan menggabungkan semua bagian dalam sistem pipa. Pada interface zone, semua jenis arrester yang dapat digunakan adalah seperti yang disebut berikut ini, atau dapat digunakan arrester lain yang sejenis dan setingkat dengannya :
a) Pada panel utama distribusi listrik : arrester arus dengan kombinasi arrester tegangan yang dihubungkan dengan suatu induktansi dipasang untuk bahaya petir tingkat 10/350 ms atau cukup dengan arrester tegangan untuk bahaya petir tingkat 8/20 ms. Untuk peletakkan arrester di depan genset atau panel induk utama perlu dilengkapi dengan NH-Fuse. Pulse Counter dapat dipasang antara arrester dengan pentanahan untuk menentukan ada tidaknya sambaran petir yang mengenai instalasi;
b) Pada panel utama distribusi telekomunikasi perlu dipasang arrester tegangan lebih seperti tipe coarse arrester atau Fine Arrester lengkap dengan dudukan LSA-Plus dan Earth-Plate;
c) Pada jaringan informasi dipakai arrester arus petir fine arrester dengan konektor yang sesuai;
d) Pada HTP yang terhubung ke sistem kabel broad band dipakai arrester yang sesuai;
e) Pada kabel antene coaxial dipasang arreter coaxial tipe N, U, atau BNC.
2. Penangkal petir untuk interface Zone 0B/1 dan 1/2 : Pada interface ini dipakai arrester tegangan lebih untuk meminimalkan pengaruh dari induksi medan elektromagnetik yang tinggi, antara lain :
¨ Pada panel distribusi listrik dipasang arrester tegangan;
¨ Pada panel distribusi telekomunikasi dipasang Coarse arrester atau fine arrester;
¨ Pada PLC dapat dipasang arrester jenis Fine Arrester Cascade.
3. Penangkal petir untuk interface Zone 2/3 : Pada peralatannya sendiri perlu dipasang penangkal tegangan lebih yang lebih halus, antara lain :
¨ Pada komputer PC : untuk sumber tegangannya dipasang arrester stop kontak, pada harddisk-nya dipasang DSM-RJ45 10 base T, atau disesuaikan connectornya.
¨ Pada Server : untuk sumber tegangan dipasang stop kontak arrester, sedangkan pada kabel data dipasang coaxial arrester dengan connector tipe U, N, atau BNC & Twinax.
¨ Pada Facsimile : untuk catu daya dipasang arrester stop kontak FAX-Protector.
Untuk memotong gelombang terpa tegangan lebih yang sangat curam akibat sambaran petir, yang tidak mampu dipotong oleh arrester, dapat digunakan isolating transformer. Trafo yang dipasang adalah trafo 1:1, dan karakteristik trafo yang dimanfaatkan adalah induktansinya. Kemudian pada terminal primernya baru dipasangkan arrester. Trafo ini perlu untuk dipasang pada kabel daya untuk lampu menara yang berkemungkinan tersambar petir secara langsung atau tidak langsung.
Untuk peralatan yang sampai ke field, saat ini telah dikembangkan teknik Intrinsicaly Safe (IS). IS merupakan suatu teknik dalam instrumentasi elektronik dengan pembatasan energi elektrik sampai pada tingkat yang tidak membahayakan kondisi field yang flammeable. Aplikasi IS untuk instrumentasi berkembang dengan cepat karena perkembangan shunt-diode safety barrier. Ini adalah peralatan self-contained, yang dapat dihubungkan secara seri dengan kabel signal antara ruang kontrol dengan lokasi eksplosif (field), dan akan melewatkan signal pengukuran dan kontrol tanpa pengaruh yang berarti, dengan membatasi energi yang dapat disalurkan saat kondisi kegagalannya ke tingkat yang aman. Dengan bergantung pada sekering khusus, komponen pembatas tegangan semikonduktor yang baru yaitu dioda Zener, dan resistor seri dimana tidak akan terjadi hubung singkat yang bisa mengakibatkan kebakaran di areal yang flammeable.
EMPAT KESIMPULAN
§ Petir merupakan gejala alam yang kejadiannya tidak dapat dihindarkan ataupun dicegah
• Upaya penanggulangan sambaran petir pada peralatan listrik dan elektronik harus dilakukan dengan sistem yang terintegrasi, yaitu penangkal petir eksternal dan penangkal petir internal
REFERENSI
1. Direktorat PPDN, “Petunjuk praktis perancangan, pemasangan, dan pemeliharaan system penangkal petir instalasi tangki timbun BBM”.
2. NFPA 780 Lightning Protection Code
3. IEC 1024 - 1990
4. Martin A Uman, “Lightning”, Dover Publication,Inc, New York, 1984
Oleh : Ir.Margo Pujiantara,M.T
BERITA . Indonesia
0 komentar:
Posting Komentar