11
Gambar 2.4 Tahapan Sambaran Petir ke Tanah [3]
Ketika leader mendekati bumi terjadi medan listrik yang sangat tinggi antara ujung leader dengan bumi, sehingga terjadi penumpukan muatan di ujung
suatu objek yang berada di permukaan bumi. Dengan demikian muatan yang berasal dari bumi bergerak menuju ujung leader.
Titik bertemunya kedua aliran yang berbeda muatan ini disebut
striking point
dapat dilihat pada Gambar 2.13c, sesaat setelah itu terjadi perpindahan muatan dari tanah ke awan melalui sambaran balik. Perpindahan muatan dari
awan ke tanah akan kembali memunculkan beda potensial yang tinggi antara pusat muatan di awan seperti pada Gambar 2.13d. Akibatnya, terjadi pelepasan
muatan susulan atau yang disebut pelepasan muatan berulang
multiple stroke.
2.3 Gangguan Petir Pada Saluran Transmisi
Gangguan petir pada saluran transmisi adalah gangguan akibat sambaran petir pada saluran transmisi yang dapat menyebabkan terganggunya saluran
transmisi dalam menghantarkan daya listrik. Gangguan petir ini dapat dibedakan menjadi dua bagian, yaitu :
12 1.
Gangguan akibat sambaran langsung, yang terdiri dari : a.
Gangguan petir pada kawat tanah, b.
Gangguan petir pada kawat fasa atau kegagalan perisaian. 2.
Gangguan petir akibat sambaran tidak langsung atau sambaran induksi. Gangguan akibat sambaran langsung petir adalah adanya sambaran petir
yang langsung mengenai suatu objek tertentu Sambaran petir langsung dapat menimbulkan bermacam-macam gangguan yang tidak hanya membahayakan
peralatan listrik namun juga bisa mengancam keselamatan jiwa manusia. Besarnya tegangan yang diakibatkan sambaran petir ini dapat mencapai 3000 kV
. Gangguan pada jaringan listrik dapat dikelompokkan menjadi dua bagian
yaitu sambaran petir mengenai kawat tanah dan sambaran petir mengenai kawat fasa. Sambaran petir yang langsung mengenai kawat tanah dapat mengakibatkan
hal-hal sebagai berikut: a
Terputusnya kawat tanah. Arus yang besar menyebabkan panas yang tinggi pada kawat tanah yang dapat melampaui kekuatan kawat untuk
menahannya. b
Naiknya potensial kawat tanah yang diikuti oleh
backflashover
ke kawat fasa. Pada saat terjadi sambaran pada kawat tanah, dengan cepat
potensialnya naik mencapai nilai yang cukup tinggi sehingga dapat mengakibatkan lompatan muatan listrik ke kawat fasa di dekatnya.
Sambaran langsung mengenai kawat fasa mengakibatkan kenaikan tegangan tinggi pada kawat fasa. Kenaikan tegangan yang cukup tinggi ini dapat
menyebabkan pecahnya isolator, kerusakan trafo tenaga dan pecahnya
arrester
.
13
2.4 Fenomena Korona
Bila dua elektroda yang penampangnya kecil dibandingkan dengan jarak antara kedua elektroda tersebut diberi tegangan bolak-balik, maka akan mungkin
terjadi fenomena korona. Pada tegangan yang cukup rendah, tidak akan terjadi apa-apa. Pertama-tama, pada elektroda akan kelihatan bercahaya, mengeluarkan
suara-suara mendesis
hissing
, dan berbau ozon. Warna cahaya yang terlihat adalah ungu muda Violet. Apabila tegangan dinaikan secara terus menerus,
maka karakteristik yang terjadi diatas akan semakin jelas terlihat, terutama pada bagian yang kasar, runcing dan kotor. Cahaya akan bertambah besar dan terang.
Apabila tegangan masih terus dinaikan, maka akan muncul busur api. Pada keadaan udara lembab, korona menghasilkan asam nitrogen
nitrous acid
, yang menyebabkan elektroda berkarat bila kehilangan daya cukup besar.
Korona terjadi disebabkan karena adanya ionisasi dalam udara, yaitu terjadinya kehilangan elektron dari molekul udara. Karena terjadinya ionisasi
molekul dalam udara, maka molekul netral A di udara bebas mendapatkan energi foton yang cukup dan besarnya melebihi energi yang diperlukan untuk
membebaskan elektron dari molekul gas atau udara. Kelebihan energi foton akan dilimpahkan pada elektron yang kemudian dibebaskan dalam bentuk energi
kinetik. Hal ini dapat ditunjukan dalam persamaan berikut ini :
−
+ � →
1 2
�
2
−
+ �
+
+
−
Karena adanya medan listrik yang berada disekitar elektroda penghantar yang mempercepat gerak elektron hasil inonisasi tersebut, maka elektron-elektron
tersebut akan menumbuk molekul-molekul gas atau udara disekitarnya.
14 Karena hal ini terjadi secara terus-menerus maka jumlah ion dan elektron
bebas menjadi berlipat ganda. Apabila terjadinya eksitasi elektron atom gas, yaitu berubahnya kedudukan elektron gradien tegangan menjadi cukup besar maka akan
timbul fenomena korona. Selain menyebabkan terjadinya ionisasi molekul, tumbukan elektron juga menyebabkan perpindahan dari orbital awalnya ke tingkat
orbital yang lebih tinggi. Pada saat elektron berpindah kembali ke tingkat orbital yang lebih rendah, maka akan terjadi pelepasan energi berupa cahaya radiasi dan
gelombang elektromagnetik berupa suara bising.
2.4.1 Cahaya Ungu
Salah satu gejala terbentuknya korona yaitu terlihatnya samar-samar cahaya berwarna ungu disekeliling permukaan konduktor. Cahaya berwarna ungu
ini berasal dari pengaruh tekanan elektrostatik yang berlebihan akibat dari gradient potensial yang tinggi. Besarnya gradien potensial ini dipengaruhi oleh
tegangan yang diberikan. Pada saat awal korona terjadi, cahaya ini belum terlihat. Cahaya ini berasal dari proses rekombinasi antara ion nitrogen dengan elektron
bebas. Agar cahaya ini terlihat jelas diperlukan ionisasi lebih banyak lagi sehingga gradient permukaannya meningkat.
15
Gambar 2.5 Cahaya Ungu pada Saluran Transmisi Hantaran Udara
2.4.2 Suara Bising
Medan listrik yang yang tinggi pada fenomena korona mengakibatkan terjadinya tumbukan elektron, jika kuat medan listrik ini terus meningkat maka
tumbukan elektron akan semakin keras karena energi kinetik yang diperoleh elektron tersebut. Akibatnya terjadi eksitasi elektron dari udara, yaitu berubahnya
kedudukan elektron dari orbitalnya semula ke tingkat orbital yang lebih tinggi. Ketika elektron ini berpindah kembali ke orbital yang lebih dalam terjadi
pelepasan energi berupa suara mendesis. Suara mendesis ini terjadi disekitar konduktor. Suara tersebut dapat didengar oleh telinga manusia tergantung dari
frekuensi yang dibangkitkannya dan juga jarak sumber suara dengan si pendengar. Suara mendesis yang dibangkitkan ini biasa disebut gangguan bising. Pada sistem
transmisi, suara bising yang dibangkitkan oleh korona ini dideteksi dengan peralatan pendengaran ultrasonik. Kuat suara bising ini dipengaruhi oleh
konduktor yang digunakan dan keadaan cuaca.
16
Gambar 2.6
Ultrapobe
alat pendeteksi suara korona
2.4.3 OZON O
3
Pada korona dengan kelembaban tinggi dihasilkan gas ozon dalam jumlah yang tidak terlalu besar. Gas ozon ini akan meningkat jumlahnya seiring dengan
meningkatnya aktifitas korona. Ozon yang dihasilkan dapat meningkat secara pesat saat terjadinya pelepasan korona. Pembentukan ozon dihasilkan dari
beberapa molekul oksigen [4]. 3O
2
→ 2O
3
Pembentukan ozon oleh pelepasan korona pada oksigen murni, memiliki beberapa tahap pembentukan.
e- + O
2
→ 2O + e- O + O
2
+ M → O
3
+M Dimana M = O2 atau N2
Pada persamaan diatas ozon dihasilkan dari reaksi antara oksida dengan oksigen. Oksida tersebut dihasilkan akibat penguraian dari molekul oksigen akibat
17 tumbukan dengan elektron bebas. Elektron bebas ini kemudian jumlahnya
bertambah dengan meningkatnya medan listrik, medan listrik yang semakin tinggi akan meningkatkan aktifitas dari korona. Oksida bebas tersebut akan bereaksi
dengan oksigen yang kemudian akan membentuk ozon. Konsentrasi ozon ini meningkat sampai terjadinya pelepasan korona, kemudian setelah kondisi ini ozon
akan terurai akibat panas yang dihasilkan saat pelepasan korona. O
3
→ O
2
+ O O + O
3
→ 2O
2
Ozon merupakan molekul triatomik, dimana molekul triatomik ini termasuk golongan yang astabil atau tidak stabil. Ini menyebabkan ozon sangat
mudah terurai dibandingkan oksigen diatomik.
2.5 Faktor Yang Mempengaruhi Korona
Penerapan tegangan tinggi yang mendekati tegangan kerusakan dalam sistem tenaga listrik dapat menimbulkan gejala korona. Terjadinya gejala korona
dalam sistem bertegangan tinggi tersebut dapat ditentukan oleh beberapa faktor yang menentukan besar aktifitas korona. Faktor tersebut dapat berupa keadaan
lingkungan, bentuk dan ukuran dari konduktor yang digunakan serta besar tegangan yang diterapkan pada sistem tersebut. Faktor-faktor tersebut diantaranya
atmosfer, kerapatan udara, ukuran dan bentuk permukaan konduktor, jarak antar konduktor dan tegangan saluran.
18
2.5.1 Atmosfer
Keadaan atmosfer mempengaruhi nilai kekuatan isolasi udara dan gradien potensial awal terjadinya korona, diantaranya yaitu angin, kelembapan udara,
cuaca, dan suhu udara. Misal ketika kondisi lingkungan sedang berangin kencang, maka jumlah ion dan elektron akan lebih banyak dari pada saat kondisi normal.
Hal ini menyebabkan korona terjadi pada gradien potensial lebih rendah dibandingkan cuaca normal.
Suhu dan tekanan sangat mempengaruhi nilai dari tegangan awal korona, semakin tinggi suhu maka tegangan awal korona menjadi lebih kecil, sehingga
korona menjadi lebih besar. Pada tekanan tinggi maka tegangan awal korona menjadi semakin tinggi dan korona lebih kecil. Pada daerah yang memiliki suhu
yang tinggi dan tekanan rendah, maka korona akan menjadi lebih besar. Daerah pengunungan memiliki suhu rendah dan tekanan relatif tinggi, sehingga
kemungkinan korona menjadi lebih kecil. Kelembapan udara yang semakin tinggi juga akan mempercepat terjadinya
korona. Pada saat udara semakin lembab maka semakin banyak air yang terkandung dalam udara tersebut sehingga elektron bebas yang dihasilkan akan
semakin banyak. Dengan demikian banyaknya elektron bebas ini, maka longsoran elektron akan semakin cepat terbentuk dan terjadi ionisasi yang mengawali
terjadinya korona. Pada saat hujan, salju, jarum es, dan kabut yang dihasilkan akan
mengakibatkan korona menjadi lebih besar. Salju akan memberikan sedikit penurunan pada tegangan kegagalan kritis udara. Hal ini dijelaskan dengan
persamaan Peek [5] :
19 = 30
1 +
0.3
2.2
dimana Vi
= Tegangan kegagalan kritis udara kV į
= Faktor kerapatan udara = 1 tekanan 76 cmHg dan suhu 25 C
= =
0.386 273+
r = Jari-jari konduktor m
D = Jarak antar pusat konduktor terhadap tanah m
m = Faktor tak tentufaktor kekasaran permukaan konduktor lihat
Tabel 2.2 Dari persamaan Peek tersebut ditunjukkan bahwa pada keadaan basah,
tegangan minimum terjadinya korona lebih rendah dibandingkan dengan keadaan normal. Jadi, dapat disimpulkan korona lebih cepat terjadi pada keadaan basah.
2.5.2 Kerapatan Udara
Pada saat terjadi proses ionisasi ion-ion bergerak dalam udara dengan kecepatan yang berbeda-beda, tergantung dari kuat medan listrik yang
mempengaruhinya serta kerapatan udara yang dilaluinya. Kelincahan dari ion akan berkurang bila kerapatan udara atau gas bertambah. Udara dengan kerapatan
antar molekul yang lebih tinggi, molekul-molekul gas tersebut akan lebih padat dibandingkan gas dengan kerapatan rendah, sehingga kelincahan geraknya
berkurang.
20
2.5.3 Ukuran dan Bentuk Permukaan Konduktor
Ukuran diameter dari konduktor juga mempengaruhi fenomena terjadinya korona, konduktor dengan diameter lebih besar akan memiliki medan listrik lebih
kecil dibandingkan pada konduktor dengan diameter yang lebih kecil .
Perhatikan persamaan dibawah ini:
=
4
.
1
2
2.3 dimana
E = Kuat medan listrik kVm
Q = Muatan Coulomb
r = Jari-jari konduktor m
İ = Permitivitas medium medium udara,
İ=İ =8,85.10
-12
Fm
Konduktor dengan diameter lebih besar memiliki tegangan awal korona lebih besar dibandingkan dengan diameter yang lebih kecil. Pada konduktor
dengan diameter lebih kecil atau ujungnya runcing akan memiliki medan listrik yang lebih tinggi dikarenakan elektron terkumpul disatu titik tidak menyebar,
sehingga peristiwa korona semakin mudah terjadi. Itu sebabnya mengapa pada penangkap petir konduktor ujungnya dibuat meruncing.
Bentuk Permukaan dan kondisi dari konduktor juga mempengaruhi pembentukan korona. Pada permukaan yang tidak rata dan kotor akan mengurangi
nilai dari tegangan kegagalan awal korona sehingga korona dapat terjadi pada tegangan yang lebih rendah. Ini dikarenakan medan listrik pada permukaan yang
kasar akan lebih besar dibandingkan dengan konduktor yang memiliki permukaan
21 yang halus. Sehingga pada permukaan kasar korona yang terjadi lebih besar
dibandingkan kawat halus. Untuk kawat transmisi terdapat suatu faktor yang dinamakan faktor
ketidakteraturan m . Maksudnya merupakan ketidakteraturan dari bentuk
permukaan kawat. Dalam kondisi normal faktor permukaan kawat ini ditetapkan oleh Peek pada Tabel 2.2.
Table 2.2 Hubungan Kondisi Permukaan Kawat dengan Nilai m
o
[2]
Kondisi permukaan kawat m
Halus 1.0
Kawat padat yang kasar 0.93
– 0.98 kawat tembaga rongga
0.90 – 0.94
Kawat lilit 7 0.82
– 0.87 Kawat lilit 19-61
0.80 – 0.85
2.5.4 Jarak Antar Konduktor
Jarak antar konduktor akan mempengaruhi proses pembentukan korona. Jika jarak antara konduktor ini dibuat sangat besar dibandingkan diameter
konduktor, maka hampir tidak mungkin terjadi korona. Hal ini dikarenakan jika jarak antar konduktor dibuat sangat besar maka tekanan elektrostatik antar dua
konduktor tersebut juga akan berkurang, sehingga proses ionisasi menjadi sulit terjadi. Semakin besar jarak konduktor maka tegangan awal korona Vd bernilai
semakin besar, ini sesuai dengan persamaan 2.2.
22
2.5.5 Tegangan Saluran
Pada suatu sistem transmisi memiliki tegangan saluran yang sangat besar antar fasanya, besar dari tegangan saluran ini menentukan besar dari medan listrik
yang dihasilkan sekitar kawat transmisi tersebut. Semakin besar tegangan, maka akan semakin besar medan listriknya. Dengan demikian, semakin meningkatnya
medan listrik maka korona akan memiliki percepatan dalam tumbukannya, sehingga elektron akan semakin mudah bertumbukan dan semakin cepat pula
terbentuk longsoran elektron
avalanche
. Waktu terjadinya korona pun akan menjadi lebih cepat. Selain itu, pada tegangan saluran yang besar akan terdapat
tekanan elektrostatik pada permukaan konduktor, membuat udara disekeliling konduktor terionisasi. Pada saat ionisasi akan dihasilkan longsoran elektron
avalanche
, longsoran elektron ini akan semakin cepat terbentuk jika tegangan saluran terus ditingkatkan. Semakin besar tegangan yang diberikan, maka akan
semakin besar percepatan yang dimiliki elektron untuk bertumbukan sehingga
avalanche
akan lebih cepat terjadi selanjutnya akan terjadi peristiwa korona.
2.6 Akibat Yang Ditimbulkan Korona
Korona cukup menyebabkan banyak masalah yang harus mendapat perhatian, diantaranya interferensi radio, degradasi atau kerusakan pada peralatan
listrik yang dikenai korona, dan meningkatnya rugi-rugi daya saluran.
2.6.1 Interferensi Radio
Korona meradiasikan
noise
berfrekuensi tinggi dalam jumlah besar. Ini dapat mengganggu operasi radio dengan frekuensi berbeda. Selain itu, radiasi
23 akibat korona ini juga dapat menyebabkan interferensi televisi dan rangkaian
komunikasi yang berada didekatnya. Adanya
tumbukan elektron-elektron
pada udara
sekitar, akan
menimbulkan arus yang nilainya relatif kecil dan memiliki bentuk gelombang yang non-sinusoidal. Akibatnya akan terdapat non-sinusoidal
voltage drop
. Kemudian akan terbentuk medan elektromagnetik dan medan elektrostatik.
Selanjutnya medan elektromagnetik dan medan elektrostatik ini menginduksikan rangkaian komunikasi atau radio disekitarnya, sehingga akan menyebabkan
terjadinya interferensi.
2.6.2 Degradasi atau Kerusakan Material dan Peralatan Listrik
Korona menimbulkan panas disekitar daerah terjadinya korona dan panas ini semakin meningkat dengan kenaikan tegangan yang diberikan sampai terjadi
pelepasan korona. Panas ini dapat menyebabkan perubahan susunan atom dari material. Akibatnya material tersebut memiliki susunan atom yang baru, sehingga
sifat dari material tersebut mengalami perubahan. Pada akhirnya material tersebut akan lebih cepat rusak dan mengalami penurunan kualitas atau degradasi. Pada
saat pembentukan korona juga dihasilkan senyawa ozon O
3
, dimana jika kondisi lembab dan gas ini bereaksi secara kimia dengan konduktor dapat menyebabkan
korosi pada konduktor tersebut. Pelepasan korona
sparkover
akan menimbulkan harmonik sesaat, sehingga akan menghasilkan arus transien. Arus transien ini akan berbahaya pada
peralatan listrik yang dialirinya atau bahkan jika arus transien ini sangat tinggi
24 dapat menyebabkan kerusakan pada peralatan listrik karena dilalui arus yang
melebihi rating-nya.
2.6.3 Rugi Daya Korona
Ion dan elektron yang bergerak pada udara memiliki percepatan karena energi kinetik yang diberikan. Energi kinetik tersebut didapat dari sistem dan
dikatakan energi yang hilang. Energi yang hilang ini terdisipasi dalam bentuk panas, suara, dan cahaya inilah yang dimaksud dengan rugi daya korona. Rugi
daya pada keadaan cuaca normal ditentukan berdasarkan percobaan oleh Peek,
dengan persamaan [5]:
=
241
+ 25 −
2
10
−5
2.4 dimana
P = Rugi daya akibat korona kWkmfasa
f = Frekuensi daya Hz
V = Tegangan fasa ke netral kV
V = Tegangan distruptif Korona kVfasa
į = Faktor kerapatan udara =1 tekanan 76 cmHg dan suhu 20
o
C b
= Tekanan mmHg t
= Suhu
o
C r
= Jari-jari Konduktor cm
2.7 Manfaat Korona Pada Saluran Transmisi Hantaran Udara
Sepintas lalu tampaknya korona memiliki hanya hal-hal yang merugikan. Akan tetapi, korona juga memiliki segi-segi yang menguntungkan, yaitu: i
25 bilamana korona membentuk, lapisan sekitar konduktor menjadi konduktif dan hal
ini secara praktis merupakan semacam penambahan luas penampang konduktor, dan menyebabkan gradien potensial atau tegangan elektrostatik maksimum
menurun. Dengan demikian kemungkinan terjadinya tegangan tembus
flash over
sistem meningkat, ii Efek-efek transien peralihan karena sambaran petir dan sebab-sebab lain berkurang, karena muatan-muatan yang diinduksikan pada
saluran akibat sambaran petir dan sebab-sebab lain sebagiannya akan didisipasikan sebagai rugi-rugi korona. Dengan cara ini ia bekerja sebagai suatu
katup pengaman dan kadang-kadang suatu saluran dengan sengaja direkayasa untuk memiliki tegangan operasi berdekatan dengan tegangan kritikal supaya
tidak perlu mempergunakan arrester petir yang mahal. Ada kesulitan, karena tegangan kritikal tidak konstan untuk suatu saluran, dan akan berubah dengan
sesuai dengan keadaan cuaca sekitarnya. Dari sisi lain korona juga dapat dipahami sebagai berikut;
i. Terdapatnya rugi-rugi daya dan energi, walaupun hal ini agak kecil,
kecuali pada cuaca yang sangat buruk. ii.
Terdapatnya suatu penurunan tegangan yang non-sinusoidal disebabkan arus korona yang non-sinusoidal. Hal ini dapat mengakibatkan terjadinya
sedikit interferensi dengan saluran-saluran telekomunikasi berdekatan disebabkan oleh induksi elektromagnetik dan elektrostatik.
iii. Karena adanya distorsi dari bentuk gelombang, terutama gelombang
harmonik ketiga akan berpengaruh pada saluran transmisi. iv.
Karena pembentukan korona, sehingga diproduksi gas ozon yang bereaksi secara kimia dengan konduktor yang mengakibatkan terjadinya korosi.
26
2.8 Tegangan Kritis Disruptif
