Pengaruh Ukuran Butiran Air Hujan Terhadap Tegangan Tembus Udara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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, Universitas Sumatera Utara.
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
Universitas Sumatera Utara,
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
ABSTRAK ...............................................................................................................................
i
KATA PENGANTAR .............................................................................................................
ii
DAFTAR ISI............................................................................................................................
iv
DAFTAR GAMBAR ...............................................................................................................
vii
DAFTAR TABEL ...................................................................................................................
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan .............................................................................................................
77
5.2 Saran .......................................................................................................................
78
DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................................
79
LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara
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
Kotak Uji .........................................................................................................
38
Gambar 3.2 Elektroda Bola .................................................................................................
39
Gambar 3.3 Elektroda Jarum ...............................................................................................
40
Gambar 3.1
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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 200C 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 200C 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 200C 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
Universitas Sumatera Utara
UDARA
SKRIPSI
OLEH :
JOIN WAN CHANLYN S
NIM : 090402090
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2013
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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, Universitas Sumatera Utara.
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
Universitas Sumatera Utara,
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
ABSTRAK ...............................................................................................................................
i
KATA PENGANTAR .............................................................................................................
ii
DAFTAR ISI............................................................................................................................
iv
DAFTAR GAMBAR ...............................................................................................................
vii
DAFTAR TABEL ...................................................................................................................
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan .............................................................................................................
77
5.2 Saran .......................................................................................................................
78
DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................................
79
LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara
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
Kotak Uji .........................................................................................................
38
Gambar 3.2 Elektroda Bola .................................................................................................
39
Gambar 3.3 Elektroda Jarum ...............................................................................................
40
Gambar 3.1
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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 200C 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 200C 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 200C 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
Universitas Sumatera Utara