Gas Discharge Plasmas and Their Applications

3.6. Aplikasi Lingkungan

Thermal plasma menawarkan beberapa keunggulan unik untuk penghancuran limbah berbahaya jika dibandingkan dengan pembakaran klasik. Kepadatan energi yang tinggi dan suhu yang terkait dengan plasma termal dan reaksi cepat yang sesuai kali menawarkan potensi  throughputs besar dalam reaktor kecil. Selain itu, penggunaan energi listrik mengurangi kebutuhan aliran gas dan persyaratan off-gas pengobatan, dan menawarkan kendali atas kimia. Akhirnya, thermal plasma dapat mudah diintegrasikan ke dalam suatu proses manufaktur yang menghasilkan limbah berbahaya, sehingga memungkinkan penghancuran limbah pada sumbernya. Thermal plasma secara luas berlaku untuk penghancuran senyawa berbahaya, baik dalam bentuk campuran yang kompleks seperti limbah cair dicampur, dalam bentuk tanah atau lumpur yang terkontaminasi, atau dalam bentuk limbah cair dan padat dicampur. Senyawa organik dapat dimusnahkan dengan efisiensi tinggi, logam dapat didaur ulang, dan logam berat dan bahan radioaktif tingkat rendah dapat Vitrifikasi dalam terak leachable non.

   Penghilangan polutan organik berbahaya dari air limbah juga merupakan isu berkembang di lingkungan penelitian. Secara khusus, pelepasan korona berdenyut, DBDs dan teknik kontak debit cahaya elektrolisis sedang diteliti untuk tujuan membersihkan air. Sintesis ozon biasanya terjadi dalam pelepasan listrik. Namun, pelepasan listrik di dalam air soda juga dapat terjadi, dan mereka menghasilkan beberapa agen pengoksidasi kuat lainnya, seperti OH •, • H, O •, O dan HO. Selain itu, medan listrik kuat debit listrik juga mematikan berbagai jenis mikroorganisme di air. Selain itu, debit listrik di dalam air juga dapat menghasilkan radiasi UV, yang membantu dalam penghancuran polutan.

Berdasarkan temperaturnya, plasma dapat dikategorikan menjadi:

1.  Plasma termal : T_elektron ~ T_gas

Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating).

Contoh: plasma matahari

2.  Plasma non-termal: T_elektron > T_gas

Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K); T ~ suhu ruang

Contoh: Aurora borealis

A.   Thermal Plasma

Berbagai kasus pencemaran limbah beracun berbahaya (B3) dari penambangan minyak di Indonesia, hingga saat ini belum pernah ditangani dengan serius. Kasus pencemaran akibat oil sludge atau endapan pada tangki penyimpanan minyak industri perminyakan, seperti di Tarakan (Kalimantan Timur), Riau, Sorong (Papua), dan terakhir kasus pencemaran di Indramayu sudah seharusnya menjadi catatan penting bagi para pengelola penambangan minyak akan pentingnya pengolahan limbah oil sludge di tanah air.

Teknologi plasma banyak diterapkan sebagai salah satu teknik pengolahan limbah. Plasma umumnya dipergunakan pada pengolahan limbah padat. Di negara maju seperti Jepang plasma dipergunakan untuk mengolah logam atau limbah domestik pada insinerator sekaligus dapat mendaur ulang limbah logam berat seperti timbal (Pb) dan seng (Zn) yang terkandung limbah tersebut.

Dewasa ini, teknologi plasma juga dapat diterapkan dalam mengolah limbah oil sludge. Plasma tidak hanya dapat mengolah oil sludge, tapi sekaligus dapat mendaur ulang limbah yang umumnya mengandung sekitar 40% minyak. Dengan mengolah oil sludge akan menghasilkan light oil seperti minyak diesel yang siap pakai, dan residu dari proses pengolahan siap dan aman untuk dibuang (landfill).

Oil sludge

Limbah dari proses penyulingan minyak mentah (crude oil) dalam industri perminyakan sangatlah komplek. Limbah yang dihasilkan dapat diklasifikasikan sebagai limbah gas, cair dan padat. Kandungan limbah gas buangan seperti, volatile hydrocarbon, CO, NOx, dan SOx dapat mencemari lingkungan dan berbahaya bagi kesehatan masyarakat disekitarnya. Begitupula dengan limbah cair dari sisa proses penyulingan umumnya memiliki kandungan minyak, bahan-bahan kimia seperti, timbal, sulphide, phenol, dan chloride yang merupakan limbah beracun berbahaya.

Limbah padat yang dihasilkan disebut oil sludge. Dimana minyak hasil penyulingan (refines) dari minyak mentah biasanya disimpan dalam tangki penyimpanan. Oksidasi proses yang terjadi akibat kontak antara minyak, udara dan air menimbulkan adanya sedimentasi pada dasar tangki penyimpanan, endapan ini adalah oil sludge. Oil sludge terdiri dari, minyak (hydrocarbon), air, abu, karat tangki, pasir, dan bahan kimia lainnya. Kandungan dari hydrocarbon antara lain benzene, toluene, ethylbenzene, xylenes, dan logam berat seperti timbal (Pb) pada oil sludge merupakan limbah B3 yang dalam pengelolaannya harus mengacu pada peraturan pemerintah no. 18 tahun 1999, dimana limbah B3 harus diproses untuk mengubah karakteristik dan komposisi limbah B3 menjadi tidak beracun dan berbahaya.

Sebenarnya banyak teknik pengolahan limbah oil sludge yang dapat diaplikasikan seperti, incineration (pembakaran), centrifuges (pemisahan), steam extraction (ekstraksi), dan bioremediation (microbiologi). Namun, kenyataan dilapangan menunjukkan bahwa teknologi tersebut masih jauh dari yang diharapkan, ditambah lagi dengan biaya operasional yang masih sangat mahal.

Daur ulang limbah oil sludge

Dewasa ini pemanfaatan plasma dengan suhu tinggi (thermal plasma) dalam berbagai proses industri meningkat. Thermal plasma adalah gas yang terionisasi (ionized gas), dengan suhu tinggi diatas 10.000 ・. Thermal plasma dapat dibuat dengan electric arc, yang terbentuk diantara dua elektroda, dalam sebuah alat yang disebut plasma torch. Dengan memasukkan gas seperti, udara, argon, nitrogen, steam dan lain sebagainya kedalam plasma torch, atom atau molekul gas akan bertumbukan dengan elektron yang terbentuk dalam electric arc. Hasil dari proses ini adalah panas dan gas terionisasi yang akan memproduksi thermal plasma jet dengan temperature yang sangat tinggi.

Plasma yang dihasilkan dapat dipergunakan untuk mengolah dan mendaur ulang limbah oil sludge. Plasma yang dihasilkan oleh plasma torch dapat dioperasikan pada suhu 15.000 ・. Plasma ini dapat dipergunakan untuk menguapkan senyawa organik (hydrocarbon) yang terkandung dalam oil sludge. Senyawa organik yang menguap dapat dibentuk kembali dalam bentuk minyak, dan dapat dimanfaatkan.

Prose sistem pengolahan limbah oil sludge dengan plasma dapat dilihat pada Gambar 2. Energi yang diperlukan dalam proses dibentuk dalam plasma torch. Gas yang dipergunakan dalam torch adalah argon atau nitrogen (dalam hal ini tidak ada oksigen). Gas organik yang yang terbentuk dalam reaktor bersamaan dengan gas argon atau nitrogen kemudian dimasukkan kedalam kondensor, untuk mengubah uap gas tadi menjadi cairan. Setelah melalui pendinginan dalam kondensor cairan yang terbentuk dari gas organik tadi adalah light oil yang 100% dapat dipergunkan kembali. Gas argon atau nitrogen sendiri dapat dipergunakan kembali dalam reaktor proses.

Normal operasi temperatur yang dipergunakan dalam proses ini adalah sekitar 800 hingga 1200 derajat celcius, suhu terbaik yang dibutuhkan untuk menguapkan kandungan hydrocarbon dalam oil sludge. Kondisi dalam reaktor proses dikondisikan sedemikian rupa agar tidak terjadi proses oksidasi pada material hydrocarbon dan dapat mendukung proses pembentukan minyak pada condensator. Residu yang dihasilkan dari proses ini akan bebas dari kandungan hydrocarbon, dan siap untuk dibuang ke TPA dengan aman. Apabila pada oil sludge terkandung logam berat seperti timbal proses lanjutan dengan plasma dapat dilakukan untuk mendaur ulang logam tersebut.

Beberapa kelebihan dari pemanfaatan proses ini adalah energi efisiensinya dapat mencapai 80%, hal ini jauh lebih tinggi dibandingkan pada proses yang menggunakan gas atau bahan bakar minyak lain yang hanya dapat mencapai 20%. Juga plasma proses akan lebih efektif jika diaplikasikan pada limbah oil sludge yang memiliki kandungan hydrocarbon di atas 10%. Selanjutnya, kandungan hydrocarbon pada residu yang dihasilkan berkisar dibawah 0.01% dari total hydrocarbon.

Dengan menerapkan plasma proses pada limbah oil sludge diharapkan pencemaran lingkungan dan dampaknya bagi kesehatan masyarakat dapat dihindari. Lebih dari pada itu oil sludge dapat didaur ulang sehingga dapat menjadikan nilai tambah bagi industri perminyakan nasional.

2. Non-thermal Plasma

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx
Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx, akan dikontakkan dengan plasma. Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu. Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx.

Salah satu contohnya adalah sebagai berikut:

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor. Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle. Tube dan nozzle ini terletak pada channels. Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal. Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat. Selain itu, penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk.
Contoh Reaksi: (HO2, OH, H, adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma)

HO2 + NO -> OH + NO2

OH + NO2-> NO3 + H

H + NH3 + NO3 -> (NH4)NO3

Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik. Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3.

3.7. Aplikasi Biomedis

Salah satu aplikasi gas discharge terutama pada tekanan atmosfer adalah aplikasi pada biomedis. Plasma digunakan untuk meningkatkan biokompatibel  material. Salah satu produknya adalah polimer biomaterial. Biomaterial adalah material yang digunakan untuk kontak dengan cairan tubuh, tapi merupakan benda asing bagi tubuh. Penggunaannya misalnya pada implan medis (contohnya vascular prostheses, chatheters), lensa kontak dan untuk kultur sel.

Dalam proses modifikasi permukaan dengan teknologi plasma, melalui glow discharge akan dihasilkan ion elektron, radikal, metastabil dan UV foton, yang akan memborbardir permukaan yang akan domodifikasi. Ketika ditambahkan monomer dan partikel organik lainnya maka partikel tersebut akan terdeposisi ke dalam rantai polimer permukaan yang dimofikasi sehingga tercipta permukaan baru.

Sterilisasi plasma dari sampel bilogis terutama dengan APGDs juga meningkatkan perkembangan industri kesehatan. Sterilisasi plasma bekerja padasuhu ruangan dan lebih pendek periodenya 12-h daripada metoda konvensional seperti autoclaving dan pemaparan etilen oksida. Dari hasil demonstasi terbukti bahwa sterilisasi plasma lebih cepat enam kali dalam mereduksi populasi dari mikroorganisme seperti Escherichia coli DAN Staphylococcus aureus dan lain-lain.

Dalam bidang medis sangat dibutuhkan proses sterilisasi untuk membasmi berbagai mikroorganisme patogen. Dalam bidang medis misalkan, masih dibutuhkannya sistem sterilisasi termperatur rendah yang mampu membasmi bervariasi mikroorganisme yang tergolong dalam gram negative bacteria, gram positive bacteria dan,yeast. Bidang medis inilah bidang yang setiap saat mengalami kontaminasi oleh berbagai,jenis bakteri dan yeast. Mikroorganisme ini,menempati permukaan peralatan medis (health,care facilities) pada hampir semua tempat di,rumah sakit. Peralatan-peralatan tersebut kini,banyak yang terbuat dari bahan-bahan yang,tidak tahan terhadap termik seperti plastik,kertas, dll

Teknik dekontaminasi konvensional yang selama ini dan umum digunakan adalah   dengan pemanasan diatas suhu 150o C, sehingga sangat terbatas penggunaannya. Teknik lain yang dikenal adalah dengan menggunakan arus listrik d.c. dan a.c., namun sel yang terbunuh oleh pulsa medan listrik  tidak hancur, dan spora bakteri, lumut relatif tidak sensitif untuk pulsa tegangan tinggi (Brimingham, 2000). Selain itu teknik dekontaminasi dengan menggunakan radiasi dan sejumlah unsur anti jasad renik. Radiasi dan unsur anti jasad renik tersebut berfungsi untuk merusak DNA. Teknik ini meliputi radiasi pengion (sinar Gamma), sinar ultra ungu dan zat-zat kimia reaktif DNA. Kerusakan DNA yang ditimbulkan karena penyinaran atau secara kimiawi, mematikan sel terutama karena mengganggu replikasi DNA. Selain itu juga ada cara dengan penambahan zat kimia etilen oksida.

Sampai ditemukan teknologi plasma yang bisa mendekontaminasi mikroorganisme sehingga dapat dapat mengurangi jumlah pembentukan koloni per unit dari beberapa mikroorganisme pada permukaan. Plasma lucutan pijar korona adalah salah satu jenis plasma non termik dan merupakan sumber ion, electron dan radikal bebas. Ketika ion yang dihasilkan oleh plasma lucutan pijar korona mengenai suatu sel bakteri maka akan terbentuk radikal bebas hidrogen, gugus hidroksil yang radikal dan beberapa peroksida yang dapat menyebabkan beberapa jenis kerusakan dalam sel .Setiap molekul reaktif tersebut mampu menurunkan dan merubah biopolimer seperti asam deoksiribonukleat (DNA/deoxcyribonucleid acid) dan protein. Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan pecahnya ikatan polimer. Ionisasi dan penurunan (degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel .

Sebelum sterilisasi                                      Sesudah sterilisasi

Ada banyak alasan mengapa sterilisasi menggunakan plasma menjadi pilihan. Berikut beberapa alasannya.

• Waktu inaktivasi spora yang singkat
• Beban termal yang rendah
• Tidak ada penggunaan bahan kimia toksik dan berbahaya
• Tidak terbentuk produk yang toksik dan berbahaya pasca steriliasi
• Tidak ada perubahan sifat pada material makanan yang diproses, malah terjadi peningkatan kualitas material makanan
• Tidak perlu ada treatment lanjutan
• Hanya membutuhkan waktu yang sedikit untuk proses sterilisasi.

Seperti yang diketahui, plasma pada dasarnya adalah gas yang terionisasi. Ketika medan listrik duberikan pada gas, maka gas akan terionisasi menjadi elektron, ion, radikal, UV-photon dan partikel netral. Bagian yang dimanfaatkan untuk proses netralisasi adalah UV foton dan radikal.

Mekanisme sterilisasi dengan plasma:

1. Destruksi material genetic mikroorganisme melalui irradiasi UV
2. Pengikisan mikroorganisme atom per atom melalui fotodesorpsi intrinsik
3. Pengikisan mikroorganisme atom per atom melalui proses etching.

Alat sterilisasi berteknologi plasma yang biasa digunakan adalah ECR Plasma (Electron Cyclotron Resonance Plasma). Alat ini memanfaatkan prinsip gaya Lorentz dengan adanya pergerakan sirkular electron-elektron bebas sehingga membangkitkan medan magnet seragam yang statis. Berikut ini merupakan skema ECR plasma:

3.6. Sumber Partikel

Sperti yang kita ketahui bahwa plasma menghasilkan elektron, ion, atom tereksitasi, radikal dan molekul. Oleha karena itu plasma dapat dijadikan sebagai sumber dari pembangunan sebuah partikel, dikarenakan plasma itu sendiri berasal dari partikel-partikel, ataupun atom-atom yang di ionisasikan.             contoh: dalam pembuatan partikel krypton yang digunakan dalam analisa kimia jarak jauh pada permukaan bulan. Plasma yang di gunakan adalah SWDs. deposisi film tipis dan memodifikasi permukaannya, dilakukan dengan plasma hasil penguraian nitrogen (N2) menjadi ion nitrogen  (N-) [reaktiv plasma].

4. Kesimpulan

Gas plasma debit ada dalam berbagai besar eksitasi mode. Proses Plasma tampaknya memiliki beberapa keunggulan yang berbeda dibandingkan dengan konvensional (kimia basah) proses. Sejumlah teknologi plasma yang berbeda sangat penting untuk langkah-langkah yang berbeda dalam fabrikasi IC. Penggunaan plasma sebagai lampu, lebih khusus lampu neon, mungkin adalah aplikasi tertua. Saat ini, jenis baru dari lampu electrodeless disebut sedang dikembangkan, Keunggulan utama mereka menjadi seumur hidup lagi karena merusak dari elektroda (misalnya dengan sputtering) dihindari. Sebuah aplikasi yang menarik banyak minat dari publik yang lebih luas adalah penggunaan plasma suhu rendah untuk menampilkan, untuk dikembangkan sebagai layar televisi yang besar dan rata, baik secara langsung sebagai panel layar plasma, atau tidak langsung sebagai saklar plasma untuk menampilkan kristal cair. Untuk menjadi kompetitif dengan tabung (sinar katoda konvensional) teknologi TV, efisiensi cahaya dari display plasma masih harus cukup meningkat, dan harga mereka harus diturunkan. aplikasi lain adalah teknologi laser. Berbagai besar debit gas laser ada, berdasarkan transisi laser antara tingkat energi atom, ion atau molekul.

DAFTAR PUSTAKA

Annemie Bogaerts, Erik Neyts, Renaat Gijbels, Joost van der Mullen. 2001. Gas discharge plasmas and their applications.

www.wikipedia.com

Ih-Houng Loh, Sc.D. AST TECHNICAL JOURNAL,  Plasma Surface Modification In Biomedical Applications

Michel Moisan1 Jean Barbeau2, Marie-Charlotte Crevier, acques Pelletier, Nicolas Philip and Bachir Saoudi. Plasma sterilization. Methods and mechanisms

Fenomena Tegangan Lebih dan Koordinasi Insulasi Pada Sistem Tenaga Listrik

8.1. Penyebab Alami Overvoltages – Fenomena Petir

8.1.2.  Apa itu petir

Petir atau halilintar adalah gejala alam yang biasanya muncul pada musim hujan di mana di langit muncul kilatan cahaya sesaat yang menyilaukan biasanya disebut kilat yang beberapa saat kemudian disusul dengan suara menggelegar sering disebut Guruh. Perbedaan waktu kemunculan ini disebabkan adanya perbedaan antara kecepatan suara dan kecepatan cahaya.

Petir merupakan gejala alam yang bisa kita analogikan dengan sebuah kapasitor raksasa, dimana lempeng pertama adalah awan (bisa lempeng negatif atau lempeng positif) dan lempeng kedua adalah bumi (dianggap netral). Seperti yang sudah diketahui kapasitor adalah sebuah komponen pasif pada rangkaian listrik yang bisa menyimpan energi sesaat (energy storage). Petir juga dapat terjadi dari awan ke awan (intercloud), dimana salah satu awan bermuatan negatif dan awan lainnya bermuatan positif.

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 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. 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 petir juga bisa terjadi antar awan yang berbeda muatan. sambarannya yang rata-rata memiliki kecepatan 150.000 km/detik itu juga akan menimbulkan bunyi yang menggelegar. Di lain kesempatan, ketika akumulasi muatan listrik dalam awan tersebut telah membesar dan stabil, lompatan listrik (eletric discharge) yang terjadi pun akan merambah massa bermedan listrik lainnya, dalam hal ini adalah Bumi. Besar medan listrik minimal yang memungkinkan terpicunya petir ini adalah sekitar 1.000.000 volt per meter.

8.1.2. Mekansime Sambaran Petir

Adapun tahap tejadinya petir adalah sebgai berikut:

Siklus Air

Dalam siklus air, terdapat adanya proses yaitu evaporasi dan kondensasi. Evaporasi adalah proses dimana air menyerap panas dan berubah wujud menjadi uap air. Sedangkan kondensasi adalah proses dimana uap air kehilangan panas dan berubah ke wujut cair.Perhatikan gambar 2.1 di bawah ini yang menjelaskan tentang siklus air
air atau kelembaban yang berada di dalam bumi menyerap panas dari matahari. Ketika panas telah terserap, beberapa molekul zat cair mempunyai cukup energi untuk berubah wujud menjadi uap air dan bergerak ke atmosfir. Karena uar air naik ke tempat yang lebih tinggi, suhu di sekeliling air menjadi semakin rendah. Sehingga uap air kehilangan panas dan berubah kembali ke dalam wujud cair dan jatuh ke bumi akibat gaya gravitasi. Dan perlu diketahui bahwa apabila suhu di sekeliling udara cukup rendah, uap tersebut akan membeku menjadi es. Dan kemudian terjadilah hujan.

Electrical Storm

Dalam proses siklus air, uap akan bekumpul di atmosfer, berkumpulnya uap air ini yang kita sebut awan. Awan mengandung lebih dari jutaan titik air dan es di udara. Karena proses evapoasi dan kondensasi berlangsung terus menerus, titik air dan es tersebut bertumbukan dengan uap lain yang sedang berkondensasi, peranan dalam tumbukan ini adalah electron tertahan dan memebentuk proses Charge Separation (pemisahan muatan).Tertahanya elektron pada lapisan bawah awan, mengakibatkan bagian bawah awan bermuatan negatif. Kemudian uap air yang naik membawa proton ke bagian atas awan. Selain proses charge separation, ada juga proses yang dinamakan electric field (medanlistik).
Kekuatan medan listrik berhubungan dengan jumlah muatan yang ada di awan. Semakin banyak elektron dan proton yang menumpuk dan awan, maka medan listriknya pun semakin besar. Pada kenyataan, elektron yang berada di permukaan bumi tolak menolak dengan elektron yang berada di bawah awan dan masuk kebumi ( dinamakan Repulsion of electrons). Dan hal ini menyebabkan permukaan bumi memiliki muatan positif yang kuat. Sekarang yang dibutuhkan adalah jalan agar negatif menuju kebumi. Dan yang berperan adalah medan listrik yang kuat

Air Ionization

Medan listrik yang kuat menyebabkan udara di sekeliling awan menjadi “break down”, aliran arus berusaha untuk menetralkan pemisahan muatan. Secara sederhana, gangguan udara membuat jalan antara bumi dengan awan yang seolah-olah ada ”long metal rod” yang menghubungkan awan dengan bumi.
Ketika medan listrik menjadi semakin kuat ( 10.000 volt per inch), udara akan mengalami kerusakan. Medan listrik yang kuat menyebabkan sekeliling udara menjadi terpisah ke dalam muatan positif dan electron, dan udara kemudian meng-ion. Proses peng-ion-nan ini menyebabkan electron menjadi terpisah dari struktur molekul.
Hal yang terpenting dari proses pemisahan ini ialah elektron menjadi bebas bergerak dari sebelum pemisahan. Jadi sekarang udara menjadi lebih bersifat konduktor, karena kemampuan elektron bergerak menjadikan suatu material lebih memiliki sifat konduktor yangbaik.
Pergerakan elektron yang bebas, mengakibatkan arus listrik untuk mengalir. Proses pengionan udara membentuk plasma dengan sifat seperti logam yang konduktor.
Plasma berperan untuk menetralkan pemisahan muatan di dalam medan listrik. Cara kerjanya seperti proses kimia pembakaran yang melibatkan proses oksidasi. Oksidasi adalah proses dimana atom atau molekul kehilangan electron ketika direaksikan dengan oksigen. atom dan molekul berubah dari potensial rendah ke potensial tinggi, proses dari pengionan akan membentuk plasma, juga terjadi mengalami kehilangan elektron. Dari ketetrangan diatas, dapat kita sebut proses pengionan seperti “burning a path” melalui udara yang mengakibatkan listrik untuk mengalir, seperti menggali terowongan di gunung agar kereta api dapat lewat.
Setelah proses pengionan, jalan diantara awan dan bumi mulai terbentuk.

Step Leaders

Setelah proses ionisasi mulai dan terbentuk plasma, maka terbentuklah jalan. Banyak jalan yang tebentuk oleh proses pengionan uadara yang disebut step leaders.
Step leader menuju ke bumi yang tidak selalu tegak lurus dengan bumi. Bentuk dari medan listrik berpengaruh sangat besar terhadap lokasi partikel bermuatan yang berada di bagian bawah awan dan berada di permukaan bumi.
Akan terbentuk electric flux yang terbentuk dari proses pemisahan muatan yang tegak lurus dengan bumi.
step leaders akan bergerak menuju bumi dengan warna ke ungu unguan dan dapat menumbuhkan di wiliyah dimana leader asli turun. Leader mempunyai dua kemungkinan yaitu tumbuh ketika plasma tumbuh atau menunggu sampai terdapat plasma sampai leader lain menemukan targetnya.
Leader yang menyentuh bumi pertama kali memberikan jalan antara bumi dan tanah. The leader bukanlah kilatan petir, hanya membuka jalan saja.

Positive Streamers dan Ledakan Udara

Karena step leaders mendekat ke bumi, objek di permukaan mulai merespon adanya medan listrik yang kuat. Objek tersebut mengeluarkan apa yang di sebut positive streamers.
Seluruh benda yang beada di pemukaan bumi mempunyai potensi untuk mengeluarkan positive streamer, ketika dihasilkan streamer tidak tumbuh ke atas, hanya menjembatani step leader agar ke tanah.
Kemudian yang terjadi adalah petemuan antara step leader dengan steamer.
Plasma telah selesai menuju tujuan, arus akan mengalir dari awan ke bumi. Pelepasan arus merupakan usaha alam untuk menetalkan pemisahan muatan.
Kapanpun selama ada arus listik, pasti ada panas yang behubungan dengan arus. Karena terdapat arus yang sangat besar di dalam peti, pasti juga ada enegi panas yang besar, kenyataanya petir itu lebih panas dari pemukaan matahari. Panaslah yang menyebabkan kilatan warna biru-putih yang kita lihat.
Ketika leader dan streamer bertemu, udara disekitar petir menjadi sangat panas, saking panasnya sehingga meledak karena panas menyebabkan udara mengembang dengan cepat. Ledakan inilah yang dikenal dengan sebutan Petir.
Ketika udara panas dan mengembang dengan cepatnya, membuat tekanan suara dan menyebabkan suara

8.1.3. Parameter dan Karakteristik Sambaran Petir

Parameter dan karakteristik dari petir meliputi amplitudo arus kecepatan kenaikan arus, kemungkinan distribusi , dan bentuk gelombang tegangan dan arus petir.

8.1.4. Model Matematika untuk Petir

Ketika discharge streamer terjadi pada tanah melalui sambaran utama, dengan arus sumber I_o dan impedansi sumber Z_O. Jika sambaran mengenai objek dengan impedansi Z, maka tegangan yang dialami objek adalah

Sementara itu, jika TD (Thunderstorms Days) menunjukkan jumlah hari dalam setahun ketika petir terdengar atau terekam di tempat tertentu. Jika N_g merupakan ukuran kerapatam flashover tanah maka

8.1.5. Gelombang berjalan Pada Jalur Transmisi

Beberapa gangguan pada jalur transmisi seperti pembukaan dan penutupan jalur yang terjadi tiba-tiba, hubungan singkat atau kegagalan mengakibatkan terjadinya tegangan lebih atau arus lebih pada jalur tersebut. Gangguan ini tersebar sebagai gelombang berjalan hingga akhir jalur. Biasanya gelombang berjalan ini merupakan gelombang dengan frekuensi tinggi. Gelombang itu bisa dipantulkan, ditransmisikan, teratenuasi, atau terdistorsi selama peyebaran sampai energinya terserap. Sebuah jalur transmisi terdiri dari beberapa unsur elektrik, misalnya R, I, L, dan C.

Dimana

 atenuator konstan

 panjang gelombang konstan

Admitansi gelombang

Impedansi gelombang

8.1.5.1. Klasifikasi jalur transmisi

Jalur transmisi biasanya diklasifikasikan sebagai:

1.    Jalur tanpa rugi-rugi atau jalur ideal

Jalur dikatakan jalur ideal jika R=0 dan G=0, sehingga Z=L/C dan Y=C/L

2.    Jalur tanpa distorsi

Jalur dikatakan tanpa distorsi jika R/L=G/C=, sehingga

3.    Jalur dengan rugi yang kecil

Konstanta waktu jalur ini besar, sementara R/L dan G/C kecil, sehingga

4.    Jalur dengan panjang yang terbatas dan tidak terbatas

Solusi untuk jalur ini sangat kompleks, namun beberapa inferensi dapat ditunjukan sebagai berikut:

a.    Gelombang arus dan tegangan tidak sama

b.    Atenuasi dan distorsi sebagai akibat resistansi jalur normal dan dan kebocoran konduktansi, konsekuensinya adalah kecil.

c.    Impedansi Z adalah fungsi kompleks dan bisa didefenisiakna secara biasa.

8.1.5.2. Atenuasi dan distorsi pada gelombang berjalan

Atenuasi adalah penurunan magnitudo gelombang. Sementara distorsi adalh elongasi atau perubahan bentuk gelombang. Atenuasi disebabkan oleh energi yang hilang pada jalur misalnya karena efek kulit, penukaran pada resistansi ground, kebocoran resistansi, dan ketidakseragaman resistansi. Sementara distorsi disebabkan oleh induktasi (seperti efek kulit, efek jarak, dan ketidak seragaman distribusi arus dan terlalu dekat dengan benda baja) dan kapasitansi saluran (seperti perubahan kapsistansipada insulasi yang terdekat ke tanah. Atenuasi juga bisa disebabkan oleh korona.        

8.1.5.3. Refleksi dan Tranmisi Gelombang pada titik transisi

Gelombang berjalan dapat megalami refleksi dan transmisi pada suatu titik transmisi, seperti yang terlihat pada gambar

8.2. Overvoltage Pada Switching, Gangguan System, Dan Kondisi Abnormal Lainnya

8.2.1 Switching Surge

Keadaan buka-tutup pada saklar (switch) menyebabkan kenaikan tegangan tiba-tiba yang tinggi pada system yang mempunyai nilai induktansi dan kapasitansi tang tinggi. Kenaikan tegangan ini mengganggu kepada peralatan-peralatan pada sistem tenaga. Karakteristik tegangan surja hubung :

Bentuk gelombang dari gangguan surja hubung ini  bermacam macam, bergantung pada sumbernya yang antara lain :

•      De-energizing pada saluran transmisi, kabel-kabel, kapasitor shunt, kapasitor bank. Dll.

•      Pelepasan (diskoneksi) trafo tanpa beban, reaktor dll

•      Energization atau reclosing pada saluran dan beban reaktif

•      Perubahan (switching) beban secara tiba-tiba

•      Hubung singkat dan clearence  (penangan) gangguan hubung singkat tersebut

•      Fenomena resonansi, seperti ferro-resonance, dll.

Bentuk-bentuk Gelombang Tegangan Surja Pada Keadaan Switching :

(a) Recovery voltage after fault clearing

(b) Fault initiation

(c) Overvottage at the line end after fault clearing

(d) Energization of long transmission line

(e) Overvoltage at line end during (d)

8.2.2 Switching overvoltage pada sistem EHV dan UHV

Macam-macam situasi dan kondisi yang terjadi pada sistem yang mengalami gangguan :

•      Gangguan arus induktiv rendah, terjadi saat trafo atau reaktor di lepas.

•      Gangguan arus kapasitif rendah, terjadi pada pelepasan  salurantanpa beban.

•      Kondisi fero-resonance, biasa diketahui apabila kutub dari circuit breaker tidak menutup secara simultan.

•      Energization lainnya pada saluran EHV atau UHV dengan durasi singkat (0.5—5 ms) dan magnitudo (2.0—2.5 pu), yaitu :

o   Penutupan salah satu kutub pada CB

o   Arus yang ada akibat adanya penyelesaian gannguan lainnya (L-G atau L-L)

o   Penggantian line oleh trafo

o   Saluran yang terkompensasi secara seri oleh kapasitor

o   Tegangan yang naik akibat adanya pemutusan saklar yang disebabkan sambaran petir.

Gangguan tegangan lebih yang terjadi pada kondisi diatas dianalisa dan dikalkulasikan dengan cara :

–     Pemodelan matematis oleh komputer

–     Pemodelan skala mengguanakan analisa transien jaringan

–     Pengujian medan konduksi secara langsung pada jaringan.

Batasan overvoltage bagi saluran transmisi UHV dan EHV adalah kisaran dibawah 2.00 pu, dengan dasar tegangan 1 pu.

8.2.3. Power Freqwnecy Tegangan Lebih Pada Power Sistem

Penyebab utama gangguan pada frekwnsi daya dan harmonisa tegangan lebih adalah :

–     Pelepasan beban secara tiba-tiba

            Kenaikan tegangannya sebesar :

–     Ferranti effect

            Tegangan ujung terima lebih besar dari tegangan kirim

–     Gangguan pentanahan

            Gangguan dari salah satu fasa ke tanah menyebabkan kenaikan tegangan pada fasa lainnya (tidak lebih dari 1.4 pu)

–     Effect saturasi pada tansformator

            jika teagangan yang masuk pada trafo melebihi rattingnya maka arus magnetisasi (tanpa beban) juga meningkat. Arus ini tidak lagi sinusoidal, melainkan berbentuk satu gelombang saja. Kemudian menyebabkan harmonisa pada saluran.

8.2.4 Pengaturan Overvoltage pada keadaan switching

•      Penambahan Resistor

            Penambahan resistor seri pada CB akan mengurangi gangguan transien selama proses switching

•      Switching fasa terkontrol

            Penutupan saklar yang cepat dan tepat dari masing-masing fasa secara terpisah (useless)

•      Pengosongan trapped charge

            Dengan mengguanakan resistor yang terhubung ke tanah secara seri dengan reaktor, kemudian dibuka sesaat sebelum reclosing saklar. Berguna untuk menghilangkan muatan yang terperangkap pada sistem.

•      Reaktor seri

            Membantu dalam mengurangi tegangan surja karena energizing tiba-tiba. Berosilasi dengan kapasitansi sistem, sehingga mengurangi harmonisa.

8.2.5. Proteksi Saluran Transmisi Dari Gangguan Tegangan Lebih

Proteksi petir menggunakan sangkar kawat atau kawat grounding

G —>  kawat Ground 

h — > ketinggian dari tanah

P-P — >         kawat fasa dari         permukaan tanah

ѲS — >          sudut shielding

•      Proteksi mengguanakan ground rod dan counter-poise wires

–     Ground rod

            Kawat yang ditanamkan kedalam tanah dari tower guna mengurangi impedansi dari tower, biasanya ditanam sedalam 5-10 m atau dengan kedalaman rendah (4x5) dengan jumlah yang banyak.

–     Counter-poise wires

            Hampir sama dengan ground rod, tetapi counter-poise wires ini terhubung ke towwer lainnya, kedalaman penanaman kawat lebih rendah (0.5 m-1 m)

•      Proteksi dengan mengguanakan alat-alat proteksi lainnya

–     Expulsion gaps

            Mempunyai jarak tertentu antar elektroda, apabila overvoltage terjadi maka tegangan lebih tersebut akan melewati gap (tembus vacum)

1. External series gap

2. Upper electrode

3. Ground electrode

4. Fibre tube

5. Hollow space

–     Tabung protector

Secara prinsip sama dengan expulsion gaps, tetapi alat ini langsung terletak berdekatan dengan saluran transmisi, berbeda dengan expulsion gaps yang terhubung dengan kawat terlebih dahulu.

1. Line conductor on string insulator

2. Series gap

3. Protector tube

4. Ground connection

5. Cross arm

6. Tower body

–     Rod gap

            Alat proteksi yang simpel, bergantung pada cuaca, langsung terhubung dengan tower, biasa terletak di bagian atas tower.

–     Surge diverter atau lightning arrester

            Biasa di pakai pada gardu-gardu induk untuk memotong atau menghentikan tegangan lebih akibat petir ataupun switching.

8.3. Prinsip-Prinsip Koordinasi Isolasi Pada System Tenaga  Tegangan Tinggi Dan Tegangan Ekstra Tinggi

Penyediaan tenaga listrik harus menjamin keandalan dan kontinuitas dengan memperhatikan kegunaannya.

8.3.1 Diverter Surge

"solusi yang paling sering digunakan " karena is the least expensive and best-recognized powyang paling mahal dan paling diakui daya protection devperlindungan perangkat. Surge diverters can only protect diverters Surge hanya dapat melindungi from transient voltages that exceed about 250 voldari tegangan transien yang melebihi sekitar 250 volt. When these large voltages occur, surge diverters cliKetika terjadi tegangan yang besar, gelombang diverters klip the excess voltage and send it to ground where it iskelebihan tegangan dan dikirim ke tanah di mana ia converted into a common mode power disturbancdikonversi menjadi modus umum gangguan listrik that can disrupt microprocessor functionyang dapat mengganggu fungsi mikroprosesor. Because Karena transient voltages smaller than 250 volts slip by thtransien tegangan lebih kecil dari 250 volt slip oleh surge diverter, the computer is exposed to substantiadiverter surge, komputer terkena substansial degrading energymenurunkan energy

8.3.1.1 Surge Diverter Untuk Sistem E.H.V

Pemilihan voltase surge diverter untuk sistem EHV dan UHV tergantung pada :

1. tingkat kenaikan tegangan

2. jenis sistem yang akan ditangani, yaitu apakah efektif ditanahkan atau didasarkan melalui impedansi dll

3.karakteristik operasi yang diverter

jenis diverters surge biasa digunakan untuk tujuan di atas adalah:

1. silikon karbida arrester dengan motor kesenjangan

2. silikon karbida arrester dengan celah membatasi saat ini, dan

3. gapless oksida logam (oksida seng) arrester

Gambar 1.5 karakteristik V I pada surge diverter silicon karbid (SiC) dan zing oksida (ZnO)

keuntungan dari arrester oksida seng untuk sistem EHV adalah:

1. mereka sederhana dalam konstruksi

2. mereka memiliki karakteristik datar VI kisaran saat ini luas, dan

3. mereka tidak adanya percikan celah yang menghasilkan gradien tegangan curam ketika memicu terjadi

8.3.1.2 Perlindungan Saluran Dengan Surge Diverters

Rangkaian ekivalen Surge Diverter

Persamaannya :

Dimana :

Z : impedansi  saluran surge

R : hambatan dari element non linear

r : hambatan ground ke bumi

u(t) : tegangan surge

8.3.2. level peralatan isolasi serta koordinasi isolasi sub-stasiun

untuk mengilustrasikan prinsip-prinsip koordinasi isolasi, contoh sub stasiun-1320-kv diberikan di bawah ini

8.3.3. isolasi di tingkat sub-stasiun dengan zona pelindung

-besaran dan bentuk tegangan masuk surge

-tingkat isolasi peralatan

-pengaruh jarak

8.3.4. koordinasi isolasi dalam sistem EHV dan UHV

Table 8.5 gelombang maksimum tingkat tegangan switching pada baris yang berbeda

Daftar Pustaka

Naidu. MS.1995. High Voltage Engineering. Tata Mc Graw Hill.

www.wikipedia.com