Teknik Ilmu Kelistrikan - Sistem Pentanahan

Gardu induk merupakan salah satu potongan dari sistem tenaga listrik yang memiliki kemungkinan sangat besar mengalami ancaman yang disebabkan oleh timbulnya gangguan sehingga arus gangguan itu mengalir ke tanah sebagai akhir isolasi peralatan yang tidak berfungsi dengan baik. Arus gangguan tersebut akan mengalir pada potongan bagian peralatan yang terbuat dari metal dan juga mengalir dalam tanah di sekitar gardu induk.

Arus gangguan ini menimbulkan gradien tegangan diantara :

• ·         peralatan dengan peralatan
• ·         peralatan dengan tanah
• ·         permukaan tanah itu sendiri

Besarnya gradien tegangan pada permukaan tanah tergantung pada:

• ·         Tahanan jenis tanah
• ·         struktur tanah tersebut

Salah satu perjuangan untuk memperkecil tegangan permukaan tanah maka dibutuhkan suatu pentanahan yaitu dengan cara menambahkan elektroda pentanahan yang ditanam ke dalam tanah. Oleh lantaran lokasi peralatan listrik (gardu induk) biasanya tersebar dan berada pada tempat yang kemungkinannya memiliki struktur tanah berlapis-lapis maka dibutuhkan perencanaan pentanahan yang sesuai, dengan tujuan untuk mendapat tahanan pentanahan yang kecil sehingga tegangan permukaan yang timbul tidak membahayakan baik dalam kondisi normal maupun dikala terjadi gangguan ke tanah. Dalam paper ini analisa dilakukan dengan memakai elektroda batang (Rod) dengan aneka macam jenis pemasangannya

Pentanahan peralatan ialah penghubungan potongan bagian peralatan listrik yang pada keadaan normal tidak dialiri arus. Tujuannya ialah untuk membatasi tegangan antara potongan bagian peralatan yang tidak dialiri arus dan antara potongan bagian ini dengan tanah hingga pada suatu harga yang kondusif untuk semua kondisi operasi baik kondisi normal maupun dikala terjadi gangguan. Sistem pentanahan ini berkhasiat untuk memperoleh potensial yang merata dalam suatu potongan struktur dan peralatan serta untuk memperoleh impedansi yang rendah sebagai jalan balik arus hubung singkat ke tanah. Bila arus hubung singkat ke tanah dipaksakan mengalir melalui tanah dengan tahanan yang tinggi akan menimbulkan perbedaan tegangan yang besar dan berbahaya.

Dalam analisis ini digunakan beberapa parameter yaitu kedalaman penanaman elektroda pentanahan, panjang elektroda batang, jumlah elektroda batang (rod), ketebalan lapisan tanah potongan pertama dan tahanan jenis tanah tiap lapisan dengan memakai beberapa perkiraan yaitu:

• ·         Lapisan-lapisan tanah sejajar terhadap permukaan tanah
• ·         Tahanan jenis tanah ialah konstan untuk setiap lapisan
• ·         Analisa hanya dilakukan untuk elektroda rod
• ·         Panjang rod (L) untuk semua kemungkinan pemasangan ialah sama (3.5 meter)

Pada dikala terjadi gangguan, arus gangguan yang dialirkan ke tanah akan menimbulkan perbedaan tegangan pada permukaan tanah yang disebabkan lantaran adanya tahanan tanah. Jika pada waktu gangguan itu terjadi seseorang berjalan di atas switch yard sambil memegang atau menyentuh suatu peralatan yang diketanahkan yang terkena gangguan, maka akan ada arus mengalir melalui badan orang tersebut. Arus listrik tersebut mengalir dari tangan ke kedua kaki dan terus ke tanah, bila orang tersebut menyentuh suatu peralatan atau dari kaki yang satu ke kaki yang lain, bila ia berjalan di switch yard tanpa menyentuh peralatan. Arus ini yang membahayakan orang dan biasanya disebut arus kejut. Berat ringannya ancaman yang dialami seseorang tergantung pada besarnya arus listrik yang melalui tubuh, lamanya arus tersebut mengalir dan frekuensinya. 

1. Arus Melalui Tubuh Manusia

Kemampuan badan insan terhadap besarnya arus yang mengalir di dalamnya terbatas dan lamanya arus yang masih sanggup ditahan hingga yang belum membahayakan sukar ditetapkan. Berdasarkan hal ini maka batas - batas arus berdasarkan pengaruhnya terhadap badan insan dijelaskan berikut ini . 

Bila seseorang memegang penghantar yang diberi tegangan mulai dari harga nol dan dinaikkan sedikit demi sedikit, arus listrik yang melalui badan orang tersebut akan menawarkan pengaruh. Mula mula akan merangsang syaraf sehingga akan terasa suatu getaran yang tidak berbahaya bila dengan arus bolak balik dan akan terasa sedikit panas pada telapak tangan bila dengan arus searah (arus persepsi) Bila tegangan yang mengakibatkan terjadinya tingkat arus persepsi dinaikkan lagi maka orang akan merasa sakit dan jika terus dinaikkan maka otot-otot akan kaku sehingga orang tersebut tidak berdaya lagi untuk melepaskan konduktor tersebut. 

Apabila arus yang melewati badan insan lebih besar dari arus yang mensugesti otot sanggup menjadikan orang menjadi pingsan bahkan hingga mati, hal ini disebabkan arus listrik tersebut mensugesti jantung sehingga jantung berhenti bekerja dan peredaran darah tidak jalan.

Penelitian yang telah dilakukan oleh Dalziel disebutkan bahwa 99.5 % dari semua orang yang beratnya kurang dari 50 kg masih sanggup menahan arus pada frekuensi 50 Hz atau 60 Hz yang mengalir melalui tubuhnya dan waktu yang ditentukan oleh persamaan sebagai berikut : 

(1)

  (2) 

Jika k= (3) 

Keterangan :

I_k : besarnya arus yang mengalir melalui badan (Ampere)
t : lamanya arus mengalir dalam badan atau usang ganguan tanah (detik)
K : konstanta empiris, sehubungan dengan adanya daya kejut yang sanggup ditahan oleh X % dari sekelompok manusia.
Untuk X=99.5 %, 50 kg diperoleh K= 0.0135, maka k = 0.116
Untuk X=99.5 %, 70 kg diperoleh K=0.01246 maka k = 0.157

Dengan memakai persamaan (3) akan diperoleh besarnya arus yang masih sanggup ditahan seseorang sebagai berikut :

(4)

(5)
 

2. Tahanan Tubuh Manusia

Tahanan badan insan berkisar di antara 500 Ohm hingga 100.000 Ohm tergantung dari tegangan, keadaan kulit pada tempat yang mengadakan kekerabatan (kontak) dan jalannya arus dalam tubuh. Kulit yang terdiri dari lapisan tanduk memiliki tahanan yang tinggi, tetapi terhadap tegangan yang tinggi kulit yang menyentuh konduktor eksklusif terbakar, sehingga tahanan dari kulit ini tidak berarti apa-apa. Tahanan badan insan ini yang sanggup membatasi arus. Berdasarkan hasil penyelidikan oleh para andal maka sebagai pendekatan diambil harga tahanan badan insan sebesar 1000 Ohm. 

3. Karakteristik Tanah

Karakteristik tanah merupakan salah satu faktor yang mutlak diketahui lantaran memiliki kaitan erat dengan perencanaan dan sistem pentanahan yang akan digunakan. Sesuai dengan tujuan pentanahan bahwa arus gangguan harus secepatnya terdistribusi secara merata ke dalam tanah, maka penyelidikan wacana karakteristik tanah sehubungan dengan pengukuran tahanan dan tahanan jenis tanah merupakan faktor penting yang sangat mensugesti besarnya tahanan pentanahan. Pada kenyataannya tahanan jenis tanah harganya bermacam-macam, tergantung pada komposisi tanahnya dan faktor faktor lain.

Untuk memperoleh harga tahanan jenis tanah yang akurat dibutuhkan pengukuran secara eksklusif pada lokasi pembangunan gardu induk lantaran struktur tanah yang bekerjsama tidak sesederhana yang diperkirakan. Pada suatu lokasi tertentu sering dijumpai beberapa jenis tanah yang memiliki tahanan jenis yang berbeda-beda (non uniform). Pada pemasangan sistem pentanahan dalam suatu lokasi gardu induk, tidak jarang peralatan pentanahan tersebut ditanam pada dua atau lebih lapisan tanah yang berbeda yang berarti bahwa tahanan jenis tanah di tempat itu tidak sama. Apabila lapisan tanah pertama dari sistem pentanahan memiliki tahanan jenis sebesar r ₁ sedangka lapisan bawahnya dengan tahanan jenisnya ialah r ₂, maka diperoleh faktor refleksi K menyerupai pada persamaan :

(6)

Dari persamaan (6) di atas memungkinkan faktor refleksi K berharga positif atau negatif. 

Ada beberapa faktor yang sanggup mensugesti tahanan jenis tanah antara lain: Pengaruh temperatur, efek gradien tegangan, efek besarnya arus, efek kandungan air dan efek kandungan materi kimia. Pada sistem pengetanahan yang mustahil atau tidak perlu untuk ditanam lebih dalam sehingga mencapai air tanah yang konstan, variasi tahanan jenis tanah sangat besar. Kadangkala pada penanaman elektroda memungkinkan kelembaban dan temperatur bervariasi, untuk hal menyerupai ini harga tahanan jenis tanah harus diambil dari keadaan yang paling buruk, yaitu tanah kering dan dingin. Berdasarkan harga inilah dibentuk suatu perencanaan pengetanahan. 

Nilai tahanan jenis tanah (r ) sangat tergantung pada tahanan tanah ( R ) dan jarak antara elektroda-elektroda yang digunakan pada waktu pengukuran. Pengukuran perlu dilakukan pada beberapa tempat yang berbeda guna memperoleh niai rata-ratanya. Tahanan jenis rata-rata dari dua lapis tanah berdasarkan IEEE standar 81 dimodelkan sebagai berikut :

(7)

dimana :

Rho_av : tahanan jenis rata-rata dua lapis tanah (Ohm-m)
r₁ : tahanan jenis tanah lapisan pertama (Ohm-m)
a : jarak antara elektroda (meter)
h : ketebalan lapisan tanah potongan pertama (meter)
K : koefesien refleksi
d : diameter elektroda (meter)
n : jumlah pengamatan (sampel) tiap lapisan tanah yang diamati

Perbedaan tahanan jenis tanah akhir iklim biasanya terbatas hingga kedalaman beberapa meter dari permukaan tanah, selanjutnya pada potongan yang lebih dalam secara mudah akan konstan.
 

4. Konduktor Pentanahan

Konduktor yang digunakan untuk pentanahan harus memenuhi beberapa persyaratan antara lain:

• Memiliki daya hantar jenis (conductivity) yang cukup besar sehingga tidak akan memperbesar beda potensial lokal yang berbahaya.
• Memiliki kekerasan (kekuatan) secara mekanis pada tingkat yang tinggi terutama bila digunakan pada tempat yang tidak terlindung terhadap kerusakan fisik.
• Tahan terhadap peleburan dari keburukan sambungan listrik, walaupun konduktor tersebut akan terkena magnitude arus gangguan dalam waktu yang lama.
• Tahan terhadap korosi.

Dari persamaan kapasitas arus untuk elektroda tembaga yang dianjurkan oleh IEEE Guide standar, Onderdonk menemukan suatu persamaan :

(8)

dimana :

A : penampang konduktor (circular mills)
I : arus gangguan (Ampere)
t : usang gangguan (detik)
T_m : suhu maksimum konduktor yang diizinkan ( ⁰ C )
T_a : suhu sekeliling tahunan maksimum ( ⁰ C )

Persamaan di atas sanggup digunakan untuk memilih ukuran penampang minimum dari konduktor tembaga yang digunakan sebagai kisi-kisi pentanahan. 

5. Penentuan panjang elektroda pentanahan

Kebutuhan akan konduktor pentanahan pada umumnya gres diperkirakan sesudah diketahui tata letak peralatan yang akan diketanahkan serta sistem pentanahan yang akan digunakan. Sebagai dasar pertimbangan dalam penentuan panjang konduktor pentanahan umumnya digunakan tegangan sentuh, bukan tegangan langkah dan tegangan pindah. Hal ini disebabkan lantaran tegangan langkah yang timbul di dalam instalasi yang terpasang pada switch yard umumnya lebih kecil daripada tegangan sentuh tersebut.

Pentanahan peralatan gardu induk mula mula dilakukan dengan menanamkan batang konduktor tegak lurus permukaan tanah (rod). Penelitian selanjutnya dengan sistem penanaman elektroda secara horisontal dengan bentuk kisi-kisi (grid) dan adonan sistem grid dengan rod. 

6. Penentuan Jumlah Batang Pengetanahan

Pada saat arus gangguan mengalir antara batang pengetanahan dengan tanah, tanah akan menjadi panas akhir i^2r . Suhu tanah harus tetap di bawah 100 ⁰ C untuk menjaga jangan hingga terjadi penguapan air kandungan dalam tanah dan kenaikan tahanan jenis tanah.

Kerapatan arus yang diizinkan pada permukaan batang pentanahan sanggup dihitung dengan persamaan [13] :

(9)

dimana :

i : kerapatan arus yang diizinkan (Ampere/cm)
d : diameter batang pengetanahan (mm)
d : panas spesifik rata-rata tanah ( ± 1.75 x 10⁶ watt-detik tiap m² tiap ⁰C )
q : kenaikan suhu tanah yang diizinkan ( ⁰ C )
r : tahanan jenis tanah (Ohm-m)
t : usang waktu gangguan (detik)

Seluruh panjang batang pentanahan yang dibutuhkan dihitung dari pembagian arus gangguan ke tanah dengan kerapatan arus yang diizinkan, sedang jumlah minimum batang pentanahan yang dibutuhkan diperoleh dari pembagian panjang total dengan panjang satu batang, atau dalam bentuk lain dituliskan sebagai berikut :

(10)

dimana :

N_min : jumlah minimum batang pentanahan yang dibutuhkan
I_g : arus gangguan ke tanah (Ampere)
i : kerapatan arus yang diizinkan (Ampere/cm)

Bersambung…

Sumber: majalah elektronik Indonesia, 1998

Penulis: Tadjuddin 
Penulis ialah staf pengajar Teknik Elektro Politeknik Unhas Ujung Pandang 
Judul Asli Tulisan: 
"ELEKTRODA BATANG MEREDUKSI NILAI TAHANAN PENTANAHAN"

---