Introduction and Lightning Mechanism

Introduction

and

Introduction

Business, industry and public institution

depend on electronic data engineering.

Electronic data processing (EDP) systems,

measuring system, telecommunications,

instrumentation and control are all parts of

the modern society.

The future lies in the computer integrated

factory or in the computer-integrated

Everywhere,

computers in local banks or businnes are

connected to the computing center.

This “networked” world, with its growing

flow of information, is, however, severly

hindered by interference or damages to the

essential transmission system in the

telephone and data networks, as well as at

terminals.

A study highlighted the

seriousness of the situation…

Without EDP

banks will survive for ……….. 2.0 days

Sales oriented enterprise…… 3.3 days

Manufacturers ……… 4.9 days

Insurance company………….. 5.6 days

Many business sectors …….. 4.8 days

Nine out of ten enterprises will close if the

computer fails for two weeks…

The most

frequent reason for the failure of such

electronics system is

that

disturb the flow of data and destroy electronic

equipment.

Risk can be controlled by

measures :

This specify conditions under which any kinds of

electric equipment do not disturb each other and

also where electromagnetic phenomena, for

Among the threats

from the electromagnetic environment,

is the most important and

therefore this determines to a great extent the

protective measures that must be undertaken in the

frame work of EMC.

Therefore, modern lightning protection does not

only mean protection of buildings but especially the

protection of those devices inside the buildings

MCR

110 kV

Data

TV

Telephone

400/230 V

ABC Company

Mobile

phone

2 k

m

2 k

m

Lightning threat

a special

electromagnetic source of

interference

Lightning Discharge at

Lightning ……

Intra Cloud

Backgrounds….

Indonesia terletak pada khatulistiwa yang

mempunyai hari-guruh sangat tinggi dengan aktivitas

100 sampai 200 hari-guruh per tahun.

Industri di Indonesia menggunakan semakin banyak

peralatan dan sistem yang canggih menggunakan

komponen elektronik dan mikroprosesor dan sangat

sensitif terhadap PEdP (Pulsa Elektromagnetik dari

Petir) atau LEMP (Lightning Electromagnetic Pulse)

Karakteristik petir di Indonesia yang tidak sama

dengan karakteristik petir di luar negeri yang

Backgrounds…. (Cont’d)

Sangat sedikitnya informasi tentang Sistem

Proteksi Petir dan Standar yang digunakan

Sistem Pendeteksi Sambaran Petir khususnya

di negara tropis seperti Indonesia sehingga

sangat kurangnya “Awareness” atau

kesiagaan terhadap kemungkinan bahaya

petir.

Banyaknya instalasi-instalasi penting dan

berbahaya yang menjadi target mudah (easy

target) bagi sambaran petir karena strukturnya

yang tinggi dan pada lokasi yang terbuka.

Apa Pengaruh

Petir pada masyarakat

Lightning on modern society

Production Function :

Man Power and Equipment,

Safety, Security and

reliability

Infrastructure

Facilities, Electric Power,

Telecommunication, Data

Processing , Instrumentation,

Control

CB Cloud

CB Cloud

Modern Society

Single

Simultaneous

Panic

Catastrophic

Damage

Destructions

Lightning

Characteristics

Lightning Protection System

1. External Protection 2. Internal Protection

Lightning Detection System

1. Real Time : Detection Process, Emergency Planning, Safety, Prediction 2. Historical : LPS Design, Fault Analysis, Reliability, Preventive Maintenance

Fungsi sosial masyarakat

modern

bandar udara dan

pelabuhan laut

jalan tol

rumah sakit

sistem telekomunikasi

pembangkitan, pengaturan,

penyaluran dan

pendistribusian tenaga

listrik

intelligent building (berbasis

mikroprosesor) pada

gedung-gedung tinggi,

pusat pengolahan data

beserta jaringannya

sistem kontrol pada

mesin-mesin industri

stasiun relay radio, televisi

dengan tower dan stasiun

bumi,

sistem pertahanan militer

instalasi lain dengan

peralatan yang

menggunakan komponen

elektronik dan

Fenomena petir di

daerah tropis

Proses terbentuknya awan

petir

Dibutuhkan udara naik (Up-draft) keatas

akibat pemanasan permukaan tanah atau

sifat orografis permukaan tanah

Dibutuhkan partikel aerosol (mengambang)

yang hygroskopis (menyerap air) dari garam

laut atau partikel industri yang naik bersama

up-draft

Dibutuhkan udara lembab yang naik keatas

untuk pembentukan partikel es (hailstone) di

awan

0 2,0 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 28 0 -30 0_C t KM KM

Pembentukan sel bermuatan

listrik pada awan petir

Formasi dasar terjadinya petir

Terjadi pembentukan

muatan negatif di dalam

awan

Terjadi peningkatan kuat

medan listrik

Muatan positif akan

terbentuk dan berkumpul

dipermukaan tanah

Terjadi ionisasi yang

menghasilkan petir

melangkah

Formasi dasar terjadinya petir

Petir dari awan terus

melangkah ke tanah

Kuat medan pada

ujung struktur diatas

tanah terus meningkat

Terjadi aliran muatan

positif yang kuat dari

atas struktur ditanah

Aliran muatan bergerak

cepat menuju keawan.

Bagaimana petir terbentuk?

Leader & streamer bertemu

pada lompatan akhir,

sekitar 10-100 meter

Return stroke melalui jalur

yg sudah terionisasi

Total muatan yang

dipindahkan pada

sambaran balik sekitar 5

200 coulomb dalam 0.05

-1.5 detik

Petir ikutan melalui jalur

yang sama

Formasi dasar terjadinya petir

Aliran muatan positif

keatas bertemu dengan

ujung lidah petir yang

melangkah ketanah

Membentuk alur

muatan listrik

Alur muatan Listrik

disebut "return stroke"

Terlihat cahaya Petir

MUATAN POSITIF YANG DIINDUKSIKAN

PETIR PENGHUBUNG

PUSAT MUATAN NEGATIF PADA AWAN BERMUATAN

r

LIDAH PETIR DENGAN INTI PLASMA

Pertumbuhan muatan di ujung

lidah petir dan di tanah

PETIR LOMPAT (STEPPED LEADER)

PUKULAN BALIK (RETURN STROKE)

PENANGKAL PETIR

Pergerakan lidah pelopor dari

awan ke tanah

Downward

Downward

Leader

Leader

Return Stroke

Return Stroke

Competing

Competing

Upward Leader

Upward Leader

Strike!

Stepped

Stepped

Leader

Leader

Talk about lightning..

Facts :

A strike can average 100 million volts of electricity and current

of up to 200,000 amperes

Can generate 10.000

o

_{C (hotter than a sun, yet created by ice)}

Why Lightning?

Can strike every where : lightning strikes somewhere on the

Earth every second and can strike ground up to ten miles from a

storm

Lately, the use and development of electronics and

microprocessors based system in modern society are increase :

small size

low insulation level

highly potential to be

destructed by lightning electromagnetic impulse

Why Indonesia?

Indonesia is a tropical archipelago with the highest lightning

activity in the world : Guinness Book of Records - Weather

Records – Thunder Days (Year):(

m

) World 322 days, Bogor

Kenapa ada petir?

50km

Terre

Electrosphère nimbus effet couronne

pluie

beau temps beau temps 300kV

Thunderstormdays

Atau

Hari guruh

Hari guruh

Jumlah sambaran petir dihitung dengan

berapa hari guruh terdengar dalam satu

tahun dan dinyatakan dengan hari guruh

atau thunderstorm days

Tempat-tempat yang mempunyai hari guruh

yang sama dihubungkan dengan satu garis

pada peta yang disebut sebagai isokeraunic

level

Hari guruh (Cont’d)

Isokeraunic level ini dipetakan oleh badan

meteorologi dunia dan juga oleh Badan Meteorologi

dan Geofisika Indonesia

Hari guruh maksimum di beberapa negara :

Eropa

: 30 hari guruh

Amerika : 100 hari guruh

Jepang : 80 hari guruh

Korea

: 80 hari guruh

Australia : 80 hari guruh

Peta hari guruh dunia

Lightning Flash Density

atau

Kerapatan sambaran petir

Kerapatan sambaran

Seiring dengan perkembangan teknologi deteksi

petir, parameter hari guruh hampir tidak digunakan

lagi

Kerapatan sambaran (Ground Flash Density – GFD

atau Number Flash to Ground – Ng) adalah jumlah

sambaran petir ke tanah per kilometer persegi per

tahun

Data GFD ini lebih akurat dari hari guruh, yang

hanya menghandalkan pengamatan langsung

semata

Kerapatan Kejadian Petir tahun 2001

Stroke Flash Density Analysis

LAPI ITB

Kerapatan sambaran (Cont’d)

t

₁

, d

₁

t

₂

,

d

₂

t

₃

, d

₃

RR1

RR2

JADPEN

The Future Indonesian Lightning Detection

Network (JADPEN)

SENSOR SENSOR SENSOR BUFFERS BUFFERS BUFFERS SENSOR SENSOR SENSOR STORE 1 16 NETWORK ARCHIVE NETWORK MONITOR CUSTOMER DIAL-IN CUSTOMER BACK-UP MODEM SERVICES TIS PORTS CENTRAL ANALYZER AND FORMAT LAPI ELPATSINDO HEADQUARTERS JAKARTA FUZZY CONTROLLER LINTASARTA CENTRAL ANALYZER LE LINTASARTA HUB SATION LA CAP RIP 1 2 3 14 15 16 DEMO DIAL-IN RECEIVER STATION DEMODULATOR MODEM CUSTOMER'S FACILITY CUSTOMER BACK-UP VIS DISPLAY

Global lightning worldwide

1999

Beberapa pendekatan dalam

studi petir

Laboratory : Long Sparks

Modeling : Numerical Simulation

Triggered Lightning : Rocket Initiated

Lightning

Observation in situ : Natural Lightning

Electromagnetic Measurement : Lightning

Detection or Location System

Stasiun Pengukuran Petir ITB

Stasiun Pengukuran Petir

Parameter petir

Arus petir yang mengalir ke bumi atau objek

diatas tanah tidak dipengaruhi oleh objek

yang disambarnya

Parameter petir didapatkan melalui

pengukuran arus petir di lapangan

Parameter petir bermanfaat untuk batasan

besaran-besaran serta ukuran peralatan

proteksi yang harus di desain

1

st

_Parameter

Maximum Lightning

Current, i [kA] :

This parameter cause a

voltage drop on stroked

object resistances, i.e.

grounding resistance,

tower impedance

_Û

E

= Î.R

st

t

I

Î

st

R

2

nd

_Parameter

Discharge Capacity,

Q = i dt [kAs]:

This parameter is sum of

energy capacity of on

striking point where

lightning current shown as

fire spark on material,

causes i.e., melted lightning

rod, puncturing

phenomenon on airplane

aluminum body, tank or

metal sheet

3

rd

_Parameter

Impulse Force,

E = i

2

_{dt [kA2s]:}

This parameter

responsible of the heat

and electrodynamics

force on conductor or

structure where the

lightning current flown

4

th

_Parameter

Maximum Current

Steepness, di/dt

[kA/µs]:

This parameter

responsible to the

inductive voltage drop

on conductor or wire

loop in a network or

construction

4

5

Statistik arus puncak

Europe by Karl Berger, measured at Mt San Salvatore, Switzerland : (1) petir pertama total, (2) petir negatif, (3) petir positif. Indonesia by Reynaldo Zoro, measured at Mt Tangkuban Perahu : (4) petir negatif, (5) petir positif

%

&

'

Oscillogram arus petir

Oscillogram arus petir negatif dengan 5 petir ikutan (A) dan oscillogram arus petir positif (B) – (by

Karl Berger, Mt San Salvatore, Switzerland)

(A)

Oscillogram arus petir (Cont’d)

(A)

Oscillogram arus petir (Cont’d)

Terpa petir standard

IEC 60-2/1973

Bentuk terpa

dinyatakan dengan t

_f

/t

_h

,

dimana t

_f

adalah waktu

muka dan t

_h

adalah

waktu punggung

Bentuk tegangan terpa

petir adalah 1.2/50 µs

Bentuk arus terpa petir

adalah 8/20 µs

Lightning current

components

Lightning Current

of the First Stroke

200 kA 10/350 µs

Lightning Current

of Subsequent Strokes

50 kA 0.25/100 µs

Lightning Current

of Long Duration Stroke

400 A 0.5 s

t

± i

± i

t

--

i

i

± i

± i

t

Current parameters

(see figure 1 (1.2b))

Protection level

I

II

III - IV

Peak current

I

200

150

₁₀₀

Front time

T

₁

(µs)

10

10

10

Time to half value

T

₂

350

₃₅₀

350

Charge of the short duration stroke

Q

_s1)

₁₀₀

₇₅

₅₀

Specific energy

W/R

2)

_(MJ/

_Ω

_Ω

_Ω

_Ω

₎

₁₀

_5,6

_2,5

1)

_{Since the substantial part of the total charge}

_Q

s

is contained in the first stroke, the

charge of all short duration strokes is considered to be incorporated in the given

values.

2)

_{Since the substantial part of specific energy}

_W/R

_{is contained in the first stroke,}

the specific energy of all short duration strokes is considered to be incorporated

in the given values.

(C)

(µs)

(kA)

Zoro, R., “Karakteristik Petir dan Kondisi Cuaca di Daerah

Tropis – Kasus Gn. Tangkuban Perahu”, Disertasi Doktor,

Insitut Teknologi Bandung, September 1999.

7,9 – 15,5

Kerapatan Sambaran Total (sambaran/km

2

_/tahun

₎

1,5 – 3,8

4,1 – 12,4

Kerapatan Sambaran (sambaran/km

2

_/tahun)

20 kA/

µµµµ

s

30 kA/

µµµµ

s

Probability 50 %

120 kA/µs

119 kA/µs

Maksimum

Kecuraman

(di/dt)

30 kA

41 kA

Rata-rata

18 kA

40 kA

Probability 50 %

392 kA

335 kA

Jawa Barat

298 kA

280 kA

Tangkuban

Perahu

Maksimum

Arus Puncak ( i

)

Polaritas

Positif

Polaritas

Negatif

Karakteristik Petir

Distribusi arus puncak di

Depok

Kerapatan sambaran petir di

Depok

Ng = 12.1

sambaran/

km

2

_/thn

(maksimum)

! " #

$ $ %

&

$

'

()*+,,+ -

.)*+,,+ / $"

/ 0+,, 1 +,,2

+

3 0! 2

End of Session 1A……..

continued to