5
BAB II PENGERTIAN TERJADINYA PETIR 2.1
Umum Salah satu gangguan alam yang sering terjadi adalah sambaran petir.
Mengingat letak geografis Indonesia yang di lalui garis khatulistiwa menyebabkan Indonesia beriklim tropis, akibatnya Indonesia memiliki hari guruh rata-rata per tahun sangat tinggi. Dengan demikian seluruh bangunan di Indonesia memiliki resiko lebih besar mengalami kerusakan akibat terkena sambaran petir. Kerusakan yang di timbulkan dapat membahayakan peralatan serta manusia yang berada di dalam bangunan tersebut. Untuk melindungi dan mengurangi dampak kerusakan akibat sambaran petir maka harus di pasang sistem pengamanan pada bangunan tersebut. Sistem pengamanan itu salah satunya berupa sistem penangkal petir beserta kabel penyalur (Down conductor) dan pertanahanny (Grounding system) sesuai standart yang telah di tentukan. Petir merupakan fenomena alam yang sangat indah, akan tetapi juga merupakan ancaman bagi mahluk hidup yang ada di bumi. Dengan temperatur sambaran melebihi panas permukaan matahari dan kekuatan benturan yang menyebar ke segala arah. Terjadinya petir biasanya mengikuti peristiwa hujan baik air atau es, peristiwa ini dimulai dengan munculnya lidah api listrik yang 5
6
bercahaya terang yang terus memanjang kearah bumi dan kemudian diikuti suara yang menggelegar dan efeknya akan fatal bila mengenai mahluk hidup. Ketika langit berawan, tidak semua awan adalah awan petir. Hanya awan cumulonimbus yang menghasilkan petir. Sambaran petir terjadi karena pelepasan muatan listrik dari satu awan cumulonimbus ke awan lainnya atau dari awan langsung ke Bumi. Pelepasan muatan antara awan yang sama atau awan dengan awan disebut sambaran petir antar awan, sedangkan pelepasan muatan antara awan dengan tanah disebut sambaran petir ke tanah.
2.2
Pembentukan Awan Terbentuknya awan dengan adanya proses menguapnya air yang terbawa
oleh udara ke atmosfer. Udara disekililing kita banyak mengandung uap air. Jika matahari bersinar cahanya sampai di permukaan bumi, lalu diserap oleh bumi, tumbuhan, tanah, sungai dan lautan. Sehingga menyebabkan air menguap ke udara atau atmosfer. Uap air yang naik semakin lama semakin tinggi karena tekanan udara di dekat permukaan bumi lebih besar dibandingkan di atmosfer bagian atas. Semakin ke atas suhu atmosfer semakin dingin, maka uap air akan mengembun pada debu-debu di atmosfer sehinga membentuk titik air yang sangat halus berukuran 2-100 mm ( 1 mm = 1/1.000.000 ). Dengan adanya debu-debu di atmosfer yang biasa disebut aerosol , maka akan dengan mudah terjainya pengembunan. Partikel-partikel yang disebut aerosol inilah yang berfungsi sebagai perangkap air dan selanjutnya akan membentuk titik-titik air. Kumpulan titik-titik air hasil dari uap air dalam udara yang mengembun inilah yang terlihat sebagai
7
awan. Makin banyak udara yang mengembun lalu terperangkap dalam aerosol dan berkumpul menjadi satu, maka semakin besar awan yang terbentuk. Seperti telihat pada gambar di bawah ini.
Gambar 2.1 Proses pembentukan awan.
2.3
Mekanisme Terjadinya Petir dan Guruh Terjadinya petir akibat adanya perpindahan muatan negatif ke muatan
positif. Petir merupakan lompatan bunga api dengan volume besar antara dua massa dengan muatan listrik yang berbeda. Petir terjadi minimal memiliki dua sambaran. Sambaran pertama bemuatan negatif mengalir dari awan ke tanah. Sambaran kilat ini biasanya memiliki percabangan yang dapat dilihat keluar dari jalur kilat utama. Sambaran kedua yang bermuatan posif inilah terbentuk dari
8
dalam jalur kilat utama yang langsung keluar menuju awan. Kilat yang terbentuk turun sangat cepat ke bumi dengan kecepatan 96.000 km/jam. Sambaran pertama mencapai titik permukaan bumi dalam waktu milidetik dan sambaran kedua dengan arah berlawan menuju awan dalam tempo 70 mikrodetik setelahnya. Terjadinya guruh karena saat udara dilewati petir, terjadi pemanasan dan pemuaian udara dengan sangat cepat. Sehingga udara menjadi plasma dan meledak menghasilkan suara yang menggelegar. Sebenarnya proses terbentuknya suara ini terjadi bersamaan saat terjadinya petir. Namun suara guruh baru terdengar setelah petir terlihat. Keterlambatan suara guruh itu terjadi karena perbedaan kecepatan cahaya (
m/s ) dan kecepatan bunyi di udara ( 340
m/s ). Sesuai dengan rumus kecepatan : ( S = V x t ) …………………………………………………..( 2.1 ) Dimana
: S : jarak ( m ) : V : kecepatan ( m/s ) : t : waktu ( s )
Sehingga dapat dihitung jarak antara petir dan guruh dengan berpedoman pada berapa lama suara guruh terdengar setelah petir (karena kecepatan cahaya sangat cepat maka diabaikan).
2.4
Proses Terjadinya Sambaran Petir Sambaran petir terjadi karena ada perbedaan potensial antara awan dan
bumi atau dengan awan lainnya. Proses terjadinya muatan pada awan karena dia bergerak terus menerus secara teratur, dan selama pergerakannya dia akan berinteraksi dengan awan lainnya sehingga muatan negatif akan berkumpul pada
9
salah satu sisi (atas atau bawah), sedangkan muatan positif berkumpul pada sisi sebaliknya. Jika perbedaan potensial antara awan dan bumi cukup besar, maka akan terjadi pembuangan muatan negatif (elektron) dari awan ke bumi atau sebaliknya untuk mencapai kesetimbangan. Pada proses pembuangan muatan ini, media yang dilalui elektron adalah udara. Pada saat elektron mampu menembus ambang batas isolasi udara inilah terjadi ledakan suara. Sambaran petir lebih sering terjadi pada musim hujan, karena pada keadaan tersebut udara mengandung kadar air yang lebih tinggi sehingga daya isolasinya turun dan arus lebih mudah mengalir. Karena ada awan bermuatan negatif dan awan bermuatan positif, maka sambaran petir juga bisa terjadi antar awan yang berbeda muatan. Seperti yang ditunjukan pada gambar di bawah ini.
Gambar 2.2 Pembentukan Muatan di Awan
Proses perpindahan muatan negatif (elektron) menuju ke muatan positif (proton) inilah yang mengakibatkan terjadinya sambaran petir. Para ilmuwan menduga lompatan bunga api listriknya sendiri terjadi, ada beberapa tahapan yang biasanya dilalui. Pertama adalah pemampatan muatan listrik pada awan
10
bersangkutan. Umumnya, akan menumpuk di bagian paling atas awan adalah listrik muatan positif, sementara di bagian dasar adalah muatan negatip. Sedangkan di bagian tengah inilah berbaur muatan negative dengan muatan positif, pada bagian inilah petir biasa berlontaran. Petir dapat terjadi antara awan dengan awan, dalam awan itu sendiri, antara awan dan udara, antara awan dengan tanah (bumi). Terdapat 2 teori yang mendasari proses terjadinya sambaran petir : 1. Proses Ionisasi. 2. Proses Gesekan antar awan.
2.4.1
Proses Ionisasi Sambaran petir merupakan peristiwa alam yaitu proses pelepasan muatan
listrik (Electrical Discharge) yang terjadi di atmosfer, hal ini disebabkan berkumpulnya ion bebas bermuatan negatif dan positif di awan, ion listrik dihasilkan oleh gesekan antar awan dan juga kejadian ionisasi ini disebabkan oleh perubahan bentuk air mulai dari cair menjadi gas atau sebaliknya, bahkan padat (es) menjadi cair. Ion bebas menempati permukaan awan dan bergerak mengikuti angin yang berhembus, bila awan-awan terkumpul di suatu tempat maka awan bermuatan ion tersebut akan memiliki beda potensial yang cukup untuk menyambar permukaan bumi maka inilah yang memicu terjadinya sambaran petir.
2.4.2
Gesekan Antar Awan Pada awalnya awan bergerak mengikuti arah angin, selama proses
bergeraknya awan ini maka saling bergesekan satu dengan yang lainya, dari
11
proses ini terlahir electron-electron bebas yang memenuhi permukaan awan. Proses ini bisa di simulasikan secara sederhana pada sebuah penggaris plastik yang digosokkan pada rambut maka penggaris ini akan mampu menarik potongan kertas. Pada suatu saat awan ini akan terkumpul di sebuah kawasan, saat inilah sambara petir dimungkinkan terjadi karena electron-elektron bebas ini saling menguatkan satu dengan lainnya. Sehingga memiliki cukup beda potensial untuk menyambar permukaan bumi.
2.5
Macam-macam Sambaran Petir Pelepasan muatan petir yang terjadi di alam ini terdiri dari berbagai jenis
yaitu sambaran petir dari awan ke awan ( coloud to coloud ), sambaran petir dari awan ke tanah ( coloud to ground ), sambaran petir dalam awan ( intra coloud ), sambaran petir awan ke udara( coloud to air ), sambaran petir lansung dan sambaran petir tidak langsung.
2.5.1
Sambaran Petir dari Awan ke Awan Pusat muatan yang terjadi dalam sambaran petir jenis ini adalah dua jenis
awan yang berbeda muatan. Pelepasan muatan yang terjadi menjembatani celah udara kosong diantara kedua awan tersebut. Medan-medan yang berada diantara awan-awan ini lebih cepat mencapai potensial gangguan. Dari pada medan-medan yang berada pada arah ke bumi atau sebelum daerah muatan lain pada awan yang sama. Hal ini terjadi dimana kepadatan udara rendah, tegangan gangguan menjadi lebih rendah dan akibatnya gangguan akan terjadi lebih cepat. Jenis sambaran
12
petir ini sulit diamati oleh peneliti, karena biasanya terjadi di dalam awan atau diantara awan-awan.
Gambar 2.3 Sambaran petir awan ke awan
Meskipun demikian penelitian tetap dilakukan karena sambaran petir jenis ini berbahaya untuk penerbangan dan gangguan-gangguan radio komunikasi, radar dan lain-lainnya.
2.5.2
Sambaran Petir dari Awan ke Tanah Sambaran petir dari awan ke tanah bukan merupakan sambaran petir yang
sering terjadi, tetapi jenis ini memiliki informasi yang paling banyak. Dengan berbagai cara dapat diperkirakan bahwa kilatan dari awan ke tanah tercatat hanya 10 % dari keseluruhan kilatan petir yang terjadi. Tidak semua kilatan dari awan ke tanah sama modelnya. Tipe yang biasanya terjadi, dimulai dengan sambaran yang berjalan ke bawah awan di dekat pusat muatan negatif bagian bawah, kemudian mengalirkan muatan negatif ke bumi. Ada beberapa tipe lain dari kilatan awan ke
13
tanah yang membawa muatan negatif ke bumi, dan beberapa tipe yang membawa muatan positif ke bumi.
Gambar 2.4 Sambaran Petir dari Awan ke Tanah
Tipe yang membawa muatan positif kadang-kadang terjadi dalam badai Guntur dengan polaritas normal ketika badai berada pada tahap disipasinya. Pada kondisi ini, ternyata muatan negative bagian bawah sudah dinetralisir oleh pelepasan muatan sebelumnya. Dan kelebihan muatan positif yang tertinggal di atas badai cukup untuk membangkitan medan intensitas gangguan antara muatan negatif dengan bumi sehingga mengalirkan muatan positif menuju bumi. Sambaran petir dari awan ke tanah adalah samabaran petir dimana elektron-elektronnya mengalir dari awan ke tanah. Samabaran petir jenis ini yang paling berbahaya karena dapat memyambar benda-benda tinggi seperti pohon dan bangunan-bangunan gedung serta dapat menimbulkan kebakaran.
14
2.5.3
Sambaran Petir Dalam Awan Sambaran petir dalam awan adalah tipe petir yang paling umum terjadi
antara pusat-pusat muatan yang berlawanan pada awan yang sama, biasanya kelihatan seperti cahaya yang menghambur secara kelap-kelip, kadang-kadang kilat keluar dari batas awan dan seperti saluran yang bercahaya yang terlihat seperti gambar berikut .
Gambar 2.5 Sambaran Petir Dalam Awan
2.5.4
Sambaran Petir Langsung Sambaran petir langsung adalah sambaran petir yang terjadi dekat atau
mengenai suatu objek, seperti gedung perkantoran, instalansi telekomunikasi, tower, dan lain-lainnya. Arus atau impulse petir yang besar dapat berupa thermal atau mekanikal dinama suhu yang sangat tinggi ini dapat melelehkan logam atau pematahkan logam. Selain itu juga dapat mengakibatkan drop tahanan pada pembumian ( grounding ).
15
2.5.5
Sambaran Petir Tidak Langsung Sambaran petir tidak langsung adalah sambaran yang terjadi jauh dari
objek sasaran,seperti gedung perkantoran, menara tower dan lainnya. Tetapi sambaran ini dapat menghasilkan gelombang electromagnetic atau induksi yang berbahaya melalui hantaran udara yang dapat merusak jaringan telekomunikasi dan peralatan elektronik.
2.6
Pengaruh Sambaran Petir Terhadap Bumi dan Atmosfer Sambaran petir dapat memberikan pengaruh terhadap objek-objek yang
ada di atmosfer dan bumi. Seperti pohon, nitrogen, suara, dan listrik.
2.6.1
Pohon Pohon adalah objek yang sering menjadi penghantar petir ke tanah. Ini
disebabkan karena pohon termasuk objek yang tinggi dan mengandung banyak air sebagai penghantar listrik yang baik. Jika pohon tidak sepenuhnya hancur biasanya tertinggal bekas luka yaitu kulit kayu yang terkelupas atau hitam akibat sambaran petir. Jenis pohon yang sering tersambar petir adalah pohon ek, pohon elm, dan pohon pinus.
2.6.2
Nitrogen Petir juga dapat berperan sebagai pemecah molekul nitrogen sehingga
nitrogen dapat bereaksi terhadap oksigen dan membentuk nitrogen oksida. Nitrogen oksida dapat meyuburkan tanah dan digunakan oleh tumbuhan sebagai nutrisi dan pupuk.
16
2.6.3
Suara Petir biasanya menyambar dengan disertai suara gemuruh atau yang biasa
kita sebut guruh. Tekanan udara yang disebabkan oleh petir menyebabkan pengembangan udara sekitar dan menyebabkan sonic boom yang menghasilkan suara geledek.
2.6.4
Listrik Petir adalah satu bentuk listrik yang terdapat di atmosfer yang berupa
listrik statis, serta terdiri dari proses perpindahan elektron. Karena sifat petir yang terkait dengan listrik inilah jika kabel atau pembangkit listrik tersambar maka akan memutuskan arus listrik.
2.7
Pengaruh Akibat Sambaran Petir Pada Gedung Tempat-tempat dengan tingkat frekwensi maupun intensitas tinggi
sambaran petirnya mendapat prioritas pertama untuk penanggulangannya. Sedangkan tempat-tempat yang relatif kurang bahaya sambaran petirnya mendapat prioritas ke dua dengan pemasangan protektor yang lebih sederhana. Lokasi yang mempunyai nilai bisnis tinggi seperti, pemancar TV, Telkom, gedung perkantoran, hankam, pelabuhan udara, dll. memerlukan proteksi yang dilakukan seoptimal mungkin, sedangkan lokasi dengan nilai bisnis rendah mungkin makin sederhana sistem protektor yang akan dipasang. Pemakaian penangkal petir sudah sangat dikenal sejak dulu untuk melindungi bangunan atau instalasi terhadap sambaran petir. Bagaimanapun alat pelindung ini hanya dapat digunakan sebagai perlindungan gedung itu sendiri
17
terhadap bahaya kebakaran atau kehancuran, sedangkan induksi tegangan lebih atau arus lebih yang diakibatkan masih belum terserap sepenuhnya oleh penangkal petir. Induksi inilah yang bahayanya cukup besar terhadap peralatan elektronik yang cukup sensitif dan mahal harganya. Sambaran petir yang terjadi pada tempat yang jauh sudah mampu merusak sistem elektronika dan peralatannya. Seperti instalasi komputer, perangkat telekomunikasi seperti PABX, sistem kontrol, alat-alat pemancar dan instrument serta peralatan elektronik sensitif lainnya. Untuk mengatasi masalah ini maka perlindungan yang sesuai harus diberikan dan dipasang pada peralatan atau instalasi terhadap bahaya sambaran petir langsung maupun tidak lansung. Salah satu penyebab semakin tingginya kerusakan peralatan elektronika karena induksi sambaran petir tersebut karena sangat sedikitnya informasi mengenai petir dan masalah yang dapat ditimbulkannya.
2.7.1
Kerusakan Akibat Sambaran Petir Secara Langsung Kerusakan ini biasanya langsung mudah diketahui sebabnya, karena jelas
sambaran
petir
menyambar
sebuah
gedung
dan
sekaligus
peralatan
listrik/elektronik yang ada di dalamnya ikut rusak (kemungkinan mengakibatkan kebakaran gedung, PABX, kontrol AC, komputer, alat pemancar, dll. hancur total).
2.7.2
Kerusakan Akibat Sambaran Petir Secara Tidak Langsung Kerusakan ini sulit diidentifikasi dengan jelas karena sambaran petir yang
menyambar pada satu titik lokasi sehingga hantaran induksi melalui aliran
18
listrik/kabel PLN, telekomunikasi, pipa pam dan peralatan besi lainnya dapat mencapai 1 km dari tempat sambaran petir tadi terjadi. Sehingga tanpa disadari dengan tiba-tiba peralatan komputer, pemancar TV, radio, PABX terbakar tanpa sebab yang jelas.
2.8
Sistem Proteksi Sambaran Petir Sistem proteksi sambaran petir adalah sistem perlengkapan yang
digunakan untuk proteksi ruang terhadap pengaruh sambaran petir. Sistem ini sendiri terdiri dari sistem proteksi eksternal, internal, dan sistem pentanahan.
2.8.1
Sistem Proteksi Eksternal Prinsip dasar sistem proteksi eksternal pada bangunan terhadap sambaran
petir adalah menyediakan sarana, dimana sarana tersebut harus dapat menangkap arus petir dan mengalirkannya ke tanah, tanpa menimbulkan bahaya bagi manusia ataupun benda yang berada didalam bangunan ataupun di sekitar bangunan. Sistem proteksi ini dilakukan dengan cara memasang konduktor dibagian atas object yang dilindungi disebut dengan instalasi penyalur petir. Sistem ini harus dirancang dengan persyaratan tertentu antara lain, Elektroda penerima harus dibuat runcing dengan ketinggian dan jarak tertentu sehingga masing-masing elektroda penerima melindungi bangunan dengan sudut perlindungan 110 derajat. Hantaran penurunan dan elektroda grounding minimal 2 buah pada setiap bangunan dan harus dipasang sejauh mungkin dari pintu bangunan. Resistansi grounding minimal 3 Ohm. Bila dari hasil pengukuran resistan grounding tidak memenuhi syarat akan dapat mengundang bahaya.
19
2.8.2
Sistem proteksi internal Sistem proteksi internal adalah sistem proteksi terhadap sambaran petir
secara tidak langsung, misalnya imbas melalui grounding listrik, menyambar jaringan listrik sehingga jaringan listrik bertegangan petir. Metode pengamanan terhadap sambaran tidak langsung dengan prinsip memotong arus dan menyamakan tegangan dengan memasang arrester. Arester yang dipasang digunakan untuk membatasi tegangan lebih, dan pada prinsipnya terdiri atas rangkaian seri. Dengan pemasangan arrester maka tegangan lebih impuls akibat sambaran petir secara aman akan disalurkan ke bumi. Prinsip dasar sistem proteksi internal adalah Pembatasan Tegangan gunanya untuk membatasi tegangan kejut ataupun tegangan lebih menjadi dibawah daya tahan isolasi perangkat. Sehingga tidak terjadi spark yang menimbulkan kerusakan. Pembuangan Arus Kejut yang bersifat merusak atau yang diluar spek teknis perangkat, agar tidak masuk kedalam peralatan. Alat proteksi yang dipakai ini tidak boleh mengganggu karakteristik dari rangkaian listrik ataupun line data yang dilindungi , dan hanya berfungsi kalau ada tegangan dan arus kejut.
2.8.3
Sistem Pentanahan Sistem pentanahan berfungsi sebagai sarana mengalirkan arus petir yang
menyebar ke segala arah ke dalam tanah. Hal yang harus diperhatikan dalam merancang sitem pentanahan adalah tidak timbulnya bahaya tegangan langkah dan tegangan sentuh. Kriteria yang di harapkan dalam pembuatan sistem pentanahan
20
adalah bukan rendahnya harga tahanan tanah, akan tetapi dapat dihindarkannya bahaya seperti yang sudah dijelaskan di atas. Sistem pentanahan sangat menentukan rancangan sistem penagkal petir internal, semakin tinggi harga tahanan pentanahan pada penyama potensial (potensial equalizing bonding ) sehingga upaya perlindungannya semakin sulit.
2.8.4
Proteksi Sistem Pembumian Bgian terpenting dalam instalansi sistem penangkal petir adalah sistem
pembumiannya. Kesulitan sistem pembumian biasanya karena berbagai macam jenis tanah dan tahanan dalam tanahnya. Hal ini dapat diatasi dengan menghubungkan semua metal equipotensialisasi dengan elektroda tunggal yang ditanam di dalam tanah.
