Simulasi Sistem Proteksi Petir Eksternal Dengan Metode Pembalik Muatan Menggunakan Matlab

## Teguh Arfianto, Sabat Anwari, Rangga Okzadika Fitra Pratama
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Industri, ITENAS, Bandung Email: teguh.arfianto@gmail.com

## ABSTRAK
Sistem  proteksi  petir  merupakan  suatu  sistem  yang  sangat  diperlukan  pada  saat  ini, mengingat peralatan listrik semakin berkembang dengan pesat. Sistem ini melindungi kita serta peralatan listrik kita dari sambaran langsung. Di Indonesia sendiri sebagai kawasan dengan  intensitas  petir  yang  tinggi.  Secara  umum,  sistem  proteksi  petir  eksternal  terdiri dari  dua  yaitu  sistem  proteksi  Aktif  dan  sistem  proteksi  Pasif.  Pada  penelitian  ini  akan membahas tentang simulasi sistem proteksi petir dengan metode pembalik muatan dengan menggunakan  prinsip  kerja  Op-Amp  dalam  MATLAB  dimana  dalam  pengujiannya  akan membandingkan  dua  buah  finial  dengan  mengukur  kuat  medan  listrik  antara  keduanya, dimana  salah  satu  finial  akan  dipasang  alat  pembalik  muatan,  dan  diberinya  spark  gap untuk  proteksi  peralatannya  tersebut.  Besar  pengujian  alat  proteksi  ini  menggunakan tegangan  impuls  sampai  150  KV.  Dalam  pengujiannya  hanya  menggunakan  parameter tegangan.  Setelah  diuji  akan  ada  perbandingan  dengan  hasil  perhitungan  dan  model sebelumnya.
Kata kunci : Sistem proteksi petir eksternal, muatan, op amp, spark gap, SIMULINK MATLAB.

## ABSTRACT
Lightning  protection  system  is  a  system  that  is  very  necessary  at  this  time,  given  the growing  electrical  appliances  rapidly.  This  system  protects  us  and  our  electrical appliances from direct strikes. In Indonesia itself as a region with high lightning intensity. In  general,  external  lightning  protection  system  consists  of  two  namely  Active  protection system  and  Passive  protection  system.  In  this  research  will  discuss  about  simulation  of lightning protection system with reversing method by applying the working principle of Op- Amp in MATLAB where in the test will compare two finials by measuring the electric field strength between the two, where one of the finials will be installed the reversing device, and he  gave  a  spark  gap  for  the  protection  of  the  equipment.  Large  testing  of  this  protection tool using impulse voltage up to 150 KV. In the test just use the voltage parameters. Once tested there will be a comparison with the results of calculations and previous models.
Keywords :  External  lightning  protection  system,  charge,  op  amp,  spark  gap,  SIMULINK MATLAB.

## 1. PENDAHULUAN
Indonesia memiliki tingkat hari guruh yang tinggi dengan jumlah sambaran petir yang banyak dan arus petir  yang  tinggi,  sehingga  kerusakan  dan  kerugian  yang  di  timbulkan  akibat  sambaran  petir  pun cukup  besar.  Maka  munculah  berbagai  teknologi  untuk  mengatasi  sambarannya.  Di  dalam  bidang teknik elektro dikenal dengan proteksi petir [1].  Dengan melihat proteksi petir yang ada saat ini, jika digabungkan  dengan  Sistem  Inverting  menggunakan  Op-Amp,  maka  akan  muncul  Sistem  Proteksi Petir Eksternal Dengan Metoda  Pembalik Muatan,  yang  mana  prinsip  kerja  dari alat ini berdasarkan pada Operasional Amplifer (Op-Amp) Inverting dan Sela Bola [2].
Dalam  perancangan Sistem Proteksi Petir Eksternal Dengan Metoda Pembalik Muatan terbagi dalam beberapa proses, dari pembacaan muatan oleh Modul Referensi yang bekerja untuk membaca muatan yang  berbanding  terbalik  dari  muatan  di  awan,  dikarenakan  timbulnya  elektromagnetik  dari  awan sebelum  terjadinya  sambaran  langsung,  sebagai  input  referensi  Op-Amp.  Prinsip  kerja  Op-Amp Inverting  itu  sendiri  akan  membalikan  fasa  masukan  yang  diambil  dari  Modul  Referensi.  Dan  Sela Bola disini  digunakan  untuk  melindungi  perlatan Inverting  bila terjadi sambaran langsung,  pada saat terjadi sambaran  maka fungsi  dari sela bola ini akan  menyalurkan arus petir  ke  Bumi.  Untuk  daerah yang dilindungi menggunakan metode Bola Gelinding dan Mesh sebagai sistem groundingnya.

## 2. METODOLOGI

## 2.1 Metodologi Penelitian
Pada  bab  ini  akan  dibahas  metode  pelaksanaan  dari  perancangan  Sistem  Proteksi  Petir  Eksternal Dengan  Metoda  Pembalik  Muatan.  Selanjutnya  sistem  dirancang  sesuai  dengan  parameter  yang diinginkan.  Perangkat  lunak  MATLAB  digunakan  untuk  memperoleh  Tegangan  Impulse  dan  proses pembalik  fasa  itu  sendiri  menggunakan  Op-Amp.  Pada  perancangan  dan  simulasi  ini  hanya  fokus membahas  Tegangan  input  maupun  output.  Diagram  alir  proses  perancangan  dapat  dilihat  pada gambar 1.
Start Studi Literatur END ANALISA Memodelkan Simulink Pembalik Tegangan dengan MATLAB Studi Tegangan Impulse
Gambar 1. Flow chart Metodologi desain Sistem Proteksi Petir Eksternal Dengan Metoda Pembalik Muatan

## 2.2 Op-Amp Inverting (Pembalik Muatan)
Penguat operasional atau yang  dikenal sebagai Op-Amp  merupakan suatu rangkaian terintegrasi atau IC yang memiliki fungsi sebagai penguat sinyal, dengan beberapa konfigurasi. Secara ideal Op-Amp memiliki  impedansi  masukan  dan  penguatan  yang  tak  berhingga  serta  impedansi  keluaran  sama dengan nol. Dalam prakteknya, Op-Amp memiliki impedansi masukan dan penguatan yang besar serta impedansi keluaran yang kecil. Op-amp memiliki simbol seperti yang terlihat pada gambar dibawah.

## Gambar 2. Simbol Op-Amp
Secara  garis  besar,  terdapat  4  pin  utama  dari  Op-Amp,  yaitu  masukan  inverting  (tanda  minus), masukan  noninverting  (tanda  plus),  masukan  tegangan  positif,  masukan  tegangan  negatif  dan  pin keluaran. Di samping pin tersebut terdapat satu pin untuk adjustment.

## Penguat Inverting
Penguat  ini  memiliki  ciri  khusus  yaitu  sinyal  keluaran  memiliki  beda  fasa  sebesar  180 0 .  Pada rangkaian penguat yang ideal memiliki syarat bahwa tegangan masukan sama dengan 0 dan impedansi masukan tak terhingga. Rangkaian untuk penguat inverting adalah seperti yang ditunjukkan gambar.

## Gambar 3. Rangkaian Penguat Inverting
Sehingga dari rangkaian tersebut dapat diperoleh rumus penguat adalah sebagai berikut : ݅ ௜௡ ൅ ݅ ௙ ൌ ݅ ௔ ........................................................................................................................................(1)
Dimana i = 0, maka
݅ ௙ ൌ െ݅ ௜௡ .............................................................................................................................................(2)
݅ ௙ ൌ ௏ ೚ೠ೟ ି௏ ೌ ோ ೑ ൌ ௏ ೚ೠ೟ ି଴ ோ ೑ ൌ ௏ ೚ೠ೟ ோ ೑ ...............................................................................................................(3)
݅ ௜௡ ൌ ௏ ೔೙ ି௏ ೌ ோ ೔೙ ൌ ௏ ೔೙ ି଴ ோ ೔೙ ൌ ௏ ೔೙ ோ ೔೙ ..................................................................................................................(4)
Substitusi persamaan (9) dan (10) ke persamaan (8) sehingga diperoleh:
௏ ೚ೠ೟ ோ ೑ ൌ ି௏ ೔೙ ோ ೔೙ ܸ ௢௨௧ ൌ ିோ ೑ ோ ೔೙ ܸ ௜௡ .....................................................................................................................................(5)
Tanda (-) negatif menunjukkan terjadi pembalikan pada keluarannya atau memiliki beda fasa sebesar 180 0 dengan masukannya. Jika nilai ܴ ଵ ൌ  ܴ ଶ maka besarnya tegangan output ܸ ௢௨௧ ൌ െܸ ௜௡ [3],[4],[5].

## 2.3 Model Pembalik Muatan Petir
Gambar rancangan yang akan disumilasikan seperti bisa dilihat pada Gambar 4. Dengan pedoman dari sebelumnya  pada Gambar 5. Dan simulasi  yang akan  digunakan adalah  software MATLAB berbeda dengan studi sebelumnya yang menggunakan software Proteus. Lalu akan menganalisa sinyal Impuls sebagai referensi masukan, apakah fungsi kerja Op-Amp berjalan dengan baik.

## Gambar 4. Model Penangkal Petir inverting
Gambar 5. Model Penangkal Petir konvensional

## 2.4 Model Simulink Pembalik Muatan Petir
Simulasi ini dibuat menggunakan program MATLAB  yang dapat dijelaskan pada Gambar 6. Dimana Vimpulse disini sebagai input Tegangan Impulse yang dibaca oleh Modul Referensi. Model Sela Bola (Spark Gap) tidak dimasukan kedalam Simulasi karena itu hanya berbentuk mekanik.
Gambar 6. Model simulink pembalik muatan petir
Tabel 1. Ketentuan Tegangan Impulse pada Simulink MATLAB No Percobaan Tegangan 1 1 6,3 KV 2 2 20 KV 3 3 70 KV 4 4 150 KV

## 2.5 Pengaplikasian Pembalik Muatan Petir
Berikut desain mekanik yang ditunjukan pada Gambar 5.
Gambar 7. Pengaplikasian pembalik muatan petir

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada  bab  ini  berisi  tentang  hasil  pengujian  untuk  seluruh  percobaan  yang  dilkaukan  di  Simulink MATLAB serta pembahasan menegenai analisis dari pengujian yang dilakukan. Hasil pengujian yang didapat akan ditampilkan dalam bentuk gambar.

## 3.1 Pengujian percobaan dengan Tegangan Input 6,3 KV
Dari  pengujian  kondisi  pertama  ini  didapat  hasil  pengujian  yang  ditunjukan  pada  Gambar  8  sebagai input dan Gambar 9 sebagai output. Dilihat dari hasilnya besar kedua tegangan sama besarnya tetapi berbeda  fasa  180 0 karena  terjadinya  proses  inverting  oleh  rangkaian  Op-Amp  inverting.  Dan  sinyal output ini lah yang akan dikatakan sama dengan muatan yang ada di awan. Setelah muatan awan dan muatan  proteksi  petir  sama  maka  tidak  akan  terjadinya  beda  muatan  yang  mengakibatkan  terjadinya sambaran lansung petir.
Gambar 8. Tegangan Input Op-Amp berupa Tegangan Impulse 6,3 KV

## Gambar 9. Tegangan Output Op-Amp berupa Tegangan Impulse 6,3 KV

## 3.2 Pengujian percobaan dengan Tegangan Input 20 KV
Dari  pengujian  ini  tidak  ada  perbedaan  mencolok  dengan  percobaan  pertama,  tetapi  hanya  berbeda besar  tegangan  Input.  Sistem  kerjanya  tetap  masih  sama  dengan  percobaan  pertama,  tetapi  tegangan inputnya sebesar 20 KV.

## Gambar 10. Tegangan Input Op-Amp berupa Tegangan Impulse 20 KV
Gambar 11. Tegangan Output Op-Amp berupa Tegangan Impulse 20 KV

## 3.3 Pengujian percobaan dengan Tegangan Input 70 KV
Dari  pengujian  ini  tidak  ada  perbedaan  mencolok  dengan  percobaan  pertama,  tetapi  hanya  berbeda besar tegangan Input. Tetapi tegangan inputnya sebesar 70 KV.
Gambar 12. Tegangan Input Op-Amp berupa Tegangan Impulse 70 KV

## Gambar 13. Tegangan Output Op-Amp berupa Tegangan Impulse 70 KV

## 3.4 Pengujian percobaan dengan Tegangan Input 150 KV
Dari  pengujian  ini  tidak  ada  perbedaan  mencolok  dengan  percobaan  pertama,  tetapi  hanya  berbeda besar tegangan Input. Tetapi tegangan inputnya sebesar 150 KV.

## Gambar 14. Tegangan Input Op-Amp berupa Tegangan Impulse 150 KV
Gambar 8. Tegangan Output Op-Amp berupa Tegangan Impulse 150 KV

## 4. KESIMPULAN
Dari  hasil  penelitian  ini  bisa  ditarik  kesimpulan  sementara  bahwa  rancang  bangun  Sistem  Proteksi Petir  Eksternal  Dengan  Metoda  Pembalik  Muatan  bisa  digunakan  atau  diimplementasikan  sebagai teknologi  terbaru  untuk  Sistem  Proteksi  Petir  Eksternal.  Dilihat  dari  data  yang  didapat  dari  hasil percobaan menggunakan MATLAB.
Dalam  perancangan Sistem Proteksi Petir Eksternal Dengan Metoda Pembalik Muatan terbagi dalam beberapa proses, dari pembacaan muatan oleh Modul Referensi yang bekerja untuk membaca muatan yang  berbanding  terbalik  dari  muatan  di  awan,  dikarenakan  timbulnya  elektromagnetik  dari  awan sebelum  terjadinya  sambaran  langsung,  sebagai  input  referensi  Op-Amp.  Prinsip  kerja  Op-Amp Inverting  itu  sendiri  akan  membalikan  fasa  masukan  yang  diambil  dari  Modul  Referensi.  Dan  Sela Bola disini  digunakan  untuk  melindungi  perlatan Inverting bila terjadi sambaran langsung,  pada saat terjadi sambaran  maka fungsi  dari sela bola ini akan  menyalurkan arus petir  ke  Bumi.  Untuk  daerah yang dilindungi menggunakan metode Bola Gelinding dan Mesh sebagai sistem groundingnya.
Dari  pengujian  kondisi  pertama  ini  didapat  hasil  pengujian  yang  ditunjukan  pada  Gambar  input  dan Gambar  output.  Dilihat  dari  hasilnya  besar  kedua  tegangan  sama  besarnya  tetapi  berbeda  fasa  180 0 karena terjadinya  proses inverting  oleh rangkaian Op-Amp  inverting. Dan sinyal  output ini lah  yang akan  dikatakan  sama  dengan  muatan  yang  ada  di  awan.  Setelah  muatan  awan  dan  muatan  proteksi petir sama maka tidak akan terjadinya beda muatan yang mengakibatkan terjadinya sambaran lansung petir.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Yen- Hong  A.  Chen,  dkk  (2017).  “Assessment to  Effectiveness  of  The  New  Early  Streamer Emission Lightning Protection System”, International Journal On Smart Sensing And Intelligent Systems, Southern Taiwan University of Science and Technology.
[2] Siti  Saodah,  dkk,  (2014)."Studi  Awal  Alat  Proteksi  Petir  Dengan  Metode  Pembalik  Muatan", Jurnal  Seminar  Nasional  ke-9:  Rekayasa  Teknologi  Industri  dan  Informasi ,  STTNAS, Yogyakarta.
[3] Elektrowiki.  2016. Op-Amp Inverting  dan  Non  Inverting. Dipetik  pada  18  November  2017  dari https://elektrowiki.wordpress.com/2016/10/16/op-amp-inverting-dan-non-inverting /.
[4] Robert  L.  Boylestad,  and  Louis  Nashelsk.  (2016), Electronic  Devices  and  Circuit  Theory Eleventh Edition.
[5] T S Rathore, (2011). “A Single Op Amp Digitally Programmable Circuit for Minimal Realization of Arbitrary Gains”, International Journal of Engineering and Technology, St Francis Institute of Technology, Mumbai 400 103, India.