Penangkal Petir

PENANGKAL PETIR

1.1 Pengertian

Penangkal petir adalah rangkaian jalur yang difungsikan sebagai jalan bagi petir menuju ke permukaan bumi, tanpa merusak benda-benda yang dilewatinya. Ada 3 bagian utama pada penangkal petir:

1. Batang penangkal petir

Batang penangkal petir berupa batang tembaga yang ujungnya runcing. Dibuat runcing karena muatan listrik mempunyai sifat mudah berkumpul dan lepas pada ujung logam yang runcing. Dengan demikian dapat memperlancar proses tarik menarik dengan muatan listrik yang ada di awan. Batang runcing ini dipasang pada bagian puncak suatu bangunan.

2. Kabel konduktor

Kabel konduktor terbuat dari jalinan kawat tembaga. Diameter jalinan kabel konduktor sekitar 1 cm hingga 2 cm . Kabel konduktor berfungsi meneruskan aliran muatan listrik dari batang muatan listrik ke tanah. Kabel konduktor tersebut dipasang pada dinding di bagian luar bangunan.

3. Tempat pembumian/ Pertanahan

Tempat pembumian (grounding) berfungsi mengalirkan muatan listrik dari kabel konduktor ke batang pembumian (ground rod) yang tertanam di tanah. Batang pembumian terbuat dari bahan tembaga berlapis baja, dengan diameter 1,5 cm dan panjang sekitar 1,8 - 3 m .

1.2 Cara kerja

Saat muatan listrik negatif di bagian bawah awan sudah tercukupi, maka muatan listrik positif di tanah akan segera tertarik. Muatan listrik kemudian segera merambat naik melalui kabel konduktor , menuju ke ujung batang penangkal petir. Ketika muatan listrik negatif berada cukup dekat di atas atap, daya tarik menarik antara kedua muatan semakin kuat, muatan positif di ujung-ujung penangkal petir tertarik ke arah muatan negatif. Pertemuan kedua muatan menghasilkan aliran listrik. Aliran listrik itu akan mengalir ke dalam tanah, melalui kabel konduktor, dengan demikian sambaran petir tidak mengenai bangunan. Tetapi sambaran petir dapat merambat ke dalam bangunan melalui kawat jaringan listrik dan bahayanya dapat merusak alat-alat elektronik di bangunan yang terhubung ke jaringan listrik itu, selain itu juga dapat menyebabkan kebakaran atau ledakan. Untuk mencegah kerusakan akibat jaringan listrik tersambar petir, biasanya di dalam bangunan dipasangi alat yang disebut penstabil arus listrik (surge arrestor).

Cara kerja penangkal petir

Penangkal petir tipe lama dibuat dari bahan tiang atau kabel yang mempunyai hambatan listrik besar, sehingga diharapkan listrik yang sampai pada pangkal penangkal petir cukup aman untuk dialirkan ke bumi. Penangkal petir modern dapat menerima secara struktur besarnya tegangan listrik yang didapat dari petir dan mengalirkannya ke bumi. Teori diversi sebagai dasar dari prinsip kerja penangkal petir, menyatakan bahwa kemampuan penangkal petir modern melindungi struktur dikarenakan kemampuan pembumiannya yang baik. Sehingga sambaran petir yang terjadi dapat dialirkan dengan aman ke bumi melalui konduktor pembumian.

Ujung penangkal petir mempunyai kemampuan "mengundang" petir yang berada disekelilingnya untuk disambar petir. Ini terjadi karena udara disekitar ujung penangkal petir mengalami ionisasi, sehingga berakibat mempunyai sifat konduktor yang dapat dialiri loncatan listrik.

Sedangkan pangkal ujung bawah penangkal petir idealnya merupakan lapisan yang mempunyai sifat penghantar listrik. Ini akan membuat daya serap tanah dari ujung penangkal petir akan tersebar lebih merata. Dalam penghantaran listrik petir, yang harus diperhatikan ialah hambatan listrik pada konduktor perantara antara ujung atas (air terminal) dan pembumian. Harus dirancang jalur terpendek dari air terminal menuju pembumian dan setiap belokan harus mempunyai radius yang cukup besar. Bila hal ini tidak diperhatikan, maka sambaran petir akan mencari penghantar terpendek menuju pembumian, meskipun tidak melalui jalur penangkal petir (seperti melalui jaringan kabel rumah atau pipa plumbing). Ini dapat menyebabkan kebakaran dan bencana lain.

1.3 Cara Membuat Penangkal Petir

Penangkal petir bisa kita buat dengan menanam sebuah lempengan logam dalam tanah. Kemudian pada logam tersebut dihubungkan dengan sebuah kawat atau kabel. kabel tersebut kita ulur sampai mencapai tempat tertinggi di atap rumah kita. Dibagian ujung kawat kita hubungkan dengan suatu logam yang runcing.
Namun agar bila ketika petir menyambar rumah kita tidak terkena, kabel dan logam di atap tadi jangan sampai bersentuhan dngan tembok rumah kita. Bisa kita beri sekat dengan plastik atau pipa paralon.

1.4 Kekuatan Tersembunyi Petir

satu kilatan petir menghasilkan listrik lebih besar daripada yang dihasilkan amerika. di malam hari, saat hujan deras, langit tiba-tiba menyala, tak lama kemudian disusul oleh suara menggelegar. tahukah anda bagaimanakah petir luar biasa yang menerangi langit muncul? tahukah anda seberapa banyak cahaya yang dipancarkannya? atau seberapa besar panas yang dilepaskannya? satu kilatan petir adalah cahaya terang yang terbentuk selama pelepasan listrik di atmosfer saat hujan badai. petir dapat terjadi ketika tegangan listrik pada dua titik terpisah di atmosfer – masih dalam satu awan, atau antara awan dan permukaan tanah, atau antara dua permukaan tanah – mencapai tingkat tinggi. keindahan yang terlihat selama setengah detik kilat petir terjadi dalam bentuk setidaknya dua sambaran. pada sambaran pertama muatan negatif (-) mengalir dari awan ke permukaan tanah. ini bukanlah kilatan yang sangat terang. sejumlah kilat percabangan biasanya dapat terlihat menyebar keluar dari jalur kilat utama. ketika sambaran pertama ini mencapai permukaan tanah, sebuah muatan berlawanan terbentuk pada titik yang akan disambarnya dan arus kilat kedua yang bermuatan positif terbentuk dari dalam jalur kilat utama tersebut langsung menuju awan. dua kilat tersebut biasanya beradu sekitar 50 meter di atas permukaan tanah. arus pendek terbentuk di titik pertemuan antara awan dan permukaan tanah tersebut, dan hasilnya sebuah arus listrik yang sangat kuat dan terang mengalir dari dalam jalur kilat utama itu menuju awan. perbedaan tegangan pada aliran listrik antara awan dan permukaan tanah ini melebihi beberapa juta volt. energi yang dilepaskan oleh satu sambaran petir lebih besar daripada yang dihasilkan oleh seluruh pusat pembangkit tenaga listrik di amerika. suhu pada jalur di mana petir terbentuk dapat mencapai 10.000 derajat celcius. suhu di dalam tanur untuk meleburkan besi adalah antara 1.050 dan 1.100 derajat celcius. panas yang dihasilkan oleh sambaran petir terkecil dapat mencapai 10 kali lipatnya. panas yang luar biasa ini berarti bahwa petir dapat dengan mudah membakar dan menghancurkan seluruh unsur yang ada di muka bumi. perbandingan lainnya, suhu permukaan matahari tingginya 700.000 derajat celcius. dengan kata lain, suhu petir adalah 1/70 dari suhu permukaan matahari. cahaya yang dikeluarkan oleh petir lebih terang daripada cahaya 10 juta bola lampu pijar berdaya 100 watt. sebagai pembanding, satu kilatan petir menyinari sekelilinginya secara lebih terang dibandingkan ketika satu lampu pijar dinyalakan di setiap rumah di istanbul. "...kilauan kilat awan itu hampir-hampir menghilangkan penglihatan." kilatan yang terbentuk turun sangat cepat ke bumi dengan kecepatan 96.000 km/jam. sambaran pertama mencapai titik pertemuan atau permukaan bumi dalam waktu 20 milidetik, dan sambaran dengan arah berlawanan menuju ke awan dalam tempo 70 mikrodetik. secara keseluruhan petir berlangsung dalam waktu hingga setengah detik. suara guruh yang mengikutinya disebabkan oleh pemanasan mendadak dari udara di sekitar jalur petir. akibatnya, udara tersebut memuai dengan kecepatan melebihi kecepatan suara, meskipun gelombang kejutnya kembali ke gelombang suara normal dalam rentang beberapa meter. gelombang suara terbentuk mengikuti udara atmosfer dan bentuk permukaan setelahnya. itulah alasan terjadinya guntur dan petir yang susul-menyusul. saat kita merenungi semua perihal petir ini, kita dapat memahami bahwa peristiwa alam ini adalah sesuatu yang menakjubkan. bagaimana sebuah kekuatan luar biasa semacam itu muncul dari partikel bermuatan positif dan negatif, yang tak terlihat oleh mata telanjang, menunjukkan bahwa petir diciptakan dengan sengaja. lebih jauh lagi, kenyataan bahwa molekul-molekul nitrogen, yang sangat penting untuk tumbuhan, muncul dari kekuatan ini, sekali lagi membuktikan bahwa petir diciptakan dengan kearifan khusus.

2.1 Frekuensi Sambaran Petir

2.1.1 Sambaran Petir Langsung

Jumlah rata – rata frekuensi sambaran petir langsung pertahun (Nd) dapat dihitung dengan perkalian kepadatan kilat ke bumi pertahun (Ng) dan luas daerah perlindungan efektif pada gedung (Ae) Nd = Ng . Ae (2.1) Kerapatan sambaran petir ke tanah dipengaruhi oleh hari guruh rata – rata per tahun di daerah tersebut. Hal ini ditunjukkan oleh hubungan sebagai berikut :

Ng = 4 . 10-2 . T1.26 (2.2) Sedangkan besar Ae dapat dihitung sebagai berikut :

Ae = ab + 6h(a+b) + 9πh2 (2.3)

Sehingga dari substitusi persamaan (2.2) dan (2.3) ke persamaan (2.1), maka nilai Nd dapat dicari dengan persamaan berikut :

N 4.10 2.T1.26 (ab 6h(a b) 9 h2 ) d = - + + + p (2.4)

dimana :

a = Panjang atap gedung (m)

b = Lebar atap gedung (m)

h = Tinggi atap gedung (m)

T = hari guruh pertahun

Ng = Kerapatan sambaran petir ke tanah ( sambaran/Km2/tahun )

Ae = Luas daerah yang masih memiliki angka sambaran petir sebesar Nd (Km2)

2.1.2 Sambaran Petir Tidak Langsung

Rata – rata frekuensi tahunan Nn dari kilat yang mengenai tanah dekat gedung dapat dihitung dengan perkalian kerapatan kilat ke tanah pertahun Ng dengan cakupan daerah di sekitar gedung yang disambar Ag Nn = Ng . Ag (2.5) Daerah di sekitar sambaran petir (Ag), adalah daerah disekitar gedung dimana suatu sambaran ke tanah menyebabkan suatu tambahan lokasi potensial tanah yang dapat mempengaruhi gedung.

2.2 Resiko Kerusakan Akibat Sambaran Petir

Sambaran petir dapat mengakibatkan beberapa kerusakan, yaitu :

a. Kematian atau korban jiwa

b. Kerusakan mekanis.

c. Kerusakan Thermal

d. Kerusakan Elektrik

2.3 Sistem Pengaman Pada Gedung

Sistem pengaman gedung dibuat untuk melindungi gedung tersebut dari berbagai macam gangguan. Salah satu sistem pengaman gedung adalah sistem penangkal petir beserta pembumiannya. Instalasi bangunan yang menurut letak, bentuk, penggunaanya dianggap mudah terkena sambaran petir dan perlu dipasang penangkal petir adalah :

a. Bangunan tinggi seperti gedung bertingkat, menara, dan cerobong pabrik.

b. Bangunan – banguna tempat penyimpanan bahan yang mudah terbakar atau meledak seperti pabrik amunisi, atau gudang penyimpan bahan peledak.

c. Bangunan – banguna sarana umum seperti gedung bertingkat pusat perbelanjaan, instansi pemerintahan, sekolah dan sebagainya.

d. Bangunan yang berdasar fungsi khusus perlu dilindungi seperti gedung arsip negara.

Jenis penangkal petir juga dipengaruhi oleh keadaan atap dari gedung yang akan diamankan.

Untuk bangunan dengan atap datar, yaitu bangunan yang memiliki selisih tinggi antara bumbungan dan lisplang kurang dari 1 meter maka sistem yang sesuai adalah sistem faraday yaitu sistem penangkal petir keliling pada atp datar. Sedang untuk atap runcing atau selisih tinggi bumbungan dan lisplang lebih dari 1 meter, maka sistem yang sesuai adalah metode franklin yaitu sistem penangkal petir dengan elektroda batang (fiial).

2.3.1. Ruang Proteksi Konvensional

Pada masa awal diketemukannya penangkal petir dan beberapa tahun setelah itu, ruang proteksi dari suatu penangkal petir berbentuk ruang kerucut dengan sudut puncak kerucut berkisar antara 30o hingga 35o (Gambar 1.a). Pemilihan besarnya sudut proteksi ini menyatakan tingkat proteksi yang diinginkan. Semakinkecil sudut proteksi maka semakin tinggi tingkat proteksi yang diperoleh (semakin baik), namun semakin mahal biaya pembangunannya. Untuk mempermudah perhitungan analitik, ruang proteksi tiga dimensi dapat dilukiskan secara dua dimensi dan karena bentuknya simetri, maka analisis dapat dilakukan hanya pada separo bagian. Semua benda-benda yang berada di dalam ruang kerucut proteksi (atau bidang segi-tiga proteksi) akan terhindar dari sambaran petir. Sedangkan benda-benda yang berada di luar ruang kerucut proteksi (atau di luar bidang segi-tiga proteksi) tidak akan terlindungi.

2.3.2 Ruang Proteksi Non Konvensional

Ruang proteksi menurut model elektro geometri hampir sama dengan ruang proteksi berdasarkan konsep lama, yaitu berbentuk ruang kerucut juga, hanya saja bidang miring dari kerucut tersebut melengkung dengan jari-jari tertentu (Gambar 2). Besar jari-jari ini sama dengan besarnya jarak sambar dari lidah petir. Jarak sambar (kemampuan menyambar atau menjangkau suatu benda) dari lidah petir ini ditentukan oleh besarnya arus petir yang terjadi. Dengan demikian, derajat kelengkungan dari bidang miring kerucut dipengaruhi oleh besarnya arus petir yang terjadi.

Gambar 2 Konsep ruang proteksi menurut elektrogeometri

Model

2.3.3 Bidang Sambar dan Garis Sambar

Jangkauan proteksi suatu penangkal petir dapat dijelaskan dengan bidang sambar atau garis sambar. Bidang sambar adalah tempat kedudukan titik-titik sambar, yaitu titik-titik dimana lidah petir telah mencapai suatu jarak terhadap suatu benda sama dengan jarak sambar. Bidang sambar merupakan bentuk tiga dimensi dalam kondisi nyata. Untuk keperluan penyederhanaan analisis dapat dipergunakan bentuk dua dimensi , yaitu garis sambar seperti ditunjukkan pada gambar 3. Titik A dan B merupakan titik kritis, artinya semua petir dengan arus I yang melewati titik-titik ini akan menyambar ke penangkal petir atau menuju ke tanah dengan probabilitas 50%. Untuk mengetahui apakah suatu benda terlindungi, maka perlu dibuat garis sambar untuk arus yang sama I untuk benda tersebut. Bila garis sambar untuk benda berada di bawah dari garis sambar untuk penangkal petir, benda terlindungi. Sebaiknya, jika garis sambar untuk benda berada di atas garis sambar untuk penangkal petir, maka benda tidak terlindungi.

Gambar 3 Garis sambar suatu lidah petir untuk arus petir Tertentu

Hubungan antara besarnya arus petir dengan jarak sambar dapat dijelaskan sebagai berikut. Bila arus petir yang terjadi bernilai kecil, artinya mengandung jumlah muatan kecil, maka energy yang diperlukan untuk memicu lidah petir melakukan loncatan-terakhir juga kecil, sehingga jangkauan sambaran berjarak pendek. Jika arus petir yang terjadi bernilai lebih besar, artinya mengandung jumlah muatan lebih banyak, maka energi yang diperlukan untuk memicu lidah petir melakukan loncatan terakhir juga lebih besar, sehingga iangkauan sambaran berjarak lebih jauh. Sesungguhnya hubungan antara I dan rs sangat rumit dengan beberapa versi persamaan telah dikemukakan oleh para ahli dan tetap terus akan berkembang lagi. Besar arus puncak peluahan petir dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut

I = 10.6Q0,7 (2.6)

dimana :

I = Arus puncak petir (kA)

Q = Muatan lidah petir (Coulombs)

Sedang hubungan besar arus dengan jarak sambaran ditunjukkan persamaan berikut

S = 8I 0,65 (2.7)

Jarak sambar S adalah jarak jari – jari yang dipakai pada ruang proteksi non konvensional. Dan

persamaan yang sering digunakan untuk menentukan jarak sambar adalah persamaan Whitehead, karena hingga saat ini merupakan persamaan yang banyak diakui kebenarannya.

2.4.2 Sistem Penangkal Petir Gedung Beratap Kerucut

Sistem penangkal petir untuk gedung beratap kerucut lebih cocok menggunakan metode Franklin. Metode ini merupakan metode yang paling tua. Tetapi metode ini masih cukup handal untuk melindungi gedung dari sambaran petir. Sehingga sistem ini masih banyak digunakan orang terutama untuk gedung yang beratap kerucut.