Gardu induk merupakan salah satu
bagian dari sistem tenaga listrik yang mempunyai kemungkinan sangat besar
mengalami bahaya yang disebabkan oleh timbulnya gangguan sehingga arus gangguan
itu mengalir ke tanah sebagai akibat isolasi peralatan yang tidak berfungsi
dengan baik. Arus gangguan tersebut akan mengalir pada bagian 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 usaha untuk memperkecil tegangan permukaan tanah
maka diperlukan suatu pentanahan yaitu dengan cara menambahkan elektroda
pentanahan yang ditanam ke dalam tanah. Oleh karena lokasi peralatan listrik
(gardu induk) biasanya tersebar dan berada pada daerah yang kemungkinannya
mempunyai struktur tanah berlapis-lapis maka diperlukan perencanaan pentanahan
yang sesuai, dengan tujuan untuk mendapatkan tahanan pentanahan yang kecil
sehingga tegangan permukaan yang timbul tidak membahayakan baik dalam kondisi
normal maupun saat terjadi gangguan ke tanah. Dalam paper ini analisa dilakukan
dengan menggunakan elektroda batang (Rod) dengan berbagai jenis pemasangannya
Pentanahan peralatan adalah penghubungan bagian bagian
peralatan listrik yang pada keadaan normal tidak dialiri arus. Tujuannya adalah
untuk membatasi tegangan antara bagian bagian peralatan yang tidak dialiri arus
dan antara bagian bagian ini dengan tanah sampai pada suatu harga yang aman
untuk semua kondisi operasi baik kondisi normal maupun saat terjadi gangguan.
Sistem pentanahan ini berguna untuk memperoleh potensial yang merata dalam
suatu bagian 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 bagian pertama dan tahanan
jenis tanah tiap lapisan dengan menggunakan beberapa asumsi yaitu:
· Lapisan-lapisan tanah sejajar terhadap
permukaan tanah
· Tahanan jenis tanah adalah konstan
untuk setiap lapisan
· Analisa hanya dilakukan untuk
elektroda rod
· Panjang rod (L) untuk semua kemungkinan
pemasangan adalah sama (3.5 meter).
Pada saat terjadi gangguan, arus gangguan yang dialirkan ke
tanah akan menimbulkan perbedaan tegangan pada permukaan tanah yang disebabkan
karena 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
tubuh 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 bahaya yang dialami seseorang tergantung pada besarnya
arus listrik yang melalui tubuh, lamanya arus tersebut mengalir dan
frekuensinya.
1. Arus Melalui Tubuh Manusia
Kemampuan tubuh manusia terhadap
besarnya arus yang mengalir di dalamnya terbatas dan lamanya arus yang masih
dapat ditahan sampai yang belum membahayakan sukar ditetapkan. Berdasarkan hal
ini maka batas - batas arus berdasarkan pengaruhnya terhadap tubuh manusia
dijelaskan berikut ini . Bila seseorang memegang penghantar yang diberi
tegangan mulai dari harga nol dan dinaikkan sedikit demi sedikit, arus listrik
yang melalui tubuh orang tersebut akan memberikan 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 menyebabkan terjadinya
tingkat arus persepsi dinaikkan lagi maka orang akan merasa sakit dan kalau
terus dinaikkan maka otot-otot akan kaku sehingga orang tersebut tidak berdaya
lagi untuk melepaskan konduktor tersebut.
Apabila arus yang melewati tubuh manusia lebih besar dari
arus yang mempengaruhi otot dapat mengakibatkan orang menjadi pingsan bahkan
sampai mati, hal ini disebabkan arus listrik tersebut mempengaruhi jantung
sehingga jantung berhenti bekerja dan peredaran darah tidak jalan.Penelitian
yang telah dilakukan oleh Dalziel disebutkan bahwa 99.5 % dari semu orang yang
beratnya kurang dari 50 kg masih dapat menahan arus pada frekuensi 50 Hz atau
60 Hz yang mengalir melalui tubuhnya dan waktu yang ditentukan oleh persamaan
sebagai berikut :
Keterangan :
Ik : besarnya arus yang mengalir melalui tubuh (Ampere)
t : lamanya arus mengalir dalam tubuh atau lama ganguan
tanah (detik)
K : konstanta empiris, sehubungan dengan adanya daya kejut
yang dapat 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 = 0.157Dengan
menggunakan persamaan (3) akan diperoleh besarnya arus yang masih dapat ditahan
seseorang sebagai berikut :
2. Tahanan Tubuh Manusia
Tahanan tubuh manusia berkisar di
antara 500 Ohm sampai 100.000 Ohm tergantung dari tegangan, keadaan kulit pada
tempat yang mengadakan hubungan (kontak) dan jalannya arus dalam tubuh. Kulit
yang terdiri dari lapisan tanduk mempunyai tahanan yang tinggi, tetapi terhadap
tegangan yang tinggi kulit yang menyentuh konduktor langsung terbakar, sehingga
tahanan dari kulit ini tidak berarti apa-apa. Tahanan tubuh manusia ini yang
dapat membatasi arus. Berdasarkan hasil penyelidikan oleh para ahli maka
sebagai pendekatan diambil harga tahanan tubuh manusia sebesar 1000 Ohm.
3. Karakteristik Tanah
Karakteristik tanah merupakan
salah satu faktor yang mutlak diketahui karena mempunyai 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 tentang karakteristik tanah sehubungan dengan
pengukuran tahanan dan tahanan jenis tanah merupakan faktor penting yang sangat
mempengaruhi 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 diperlukan
pengukuran secara langsung pada lokasi pembangunan gardu induk karena struktur
tanah yang sesungguhnya tidak sesederhana yang diperkirakan. Pada suatu lokasi
tertentu sering dijumpai beberapa jenis tanah yang mempunyai 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
mempunyai tahanan jenis sebesar r 1 sedangka lapisan bawahnya dengan tahanan
jenisnya adalah r 2, maka diperoleh faktor refleksi K seperti pada persamaan.
Dari persamaan (6) di atas memungkinkan faktor refleksi K berharga
positif atau negatif. Ada beberapa faktor yang dapat mempengaruhi tahanan jenis
tanah antara lain: Pengaruh temperatur, pengaruh gradien tegangan, pengaruh
besarnya arus, pengaruh kandungan air dan pengaruh kandungan bahan kimia. Pada
sistem pengetanahan yang tidak mungkin 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 seperti ini harga tahanan jenis tanah harus diambil
dari keadaan yang paling buruk, yaitu tanah kering dan dingin. Berdasarkan
harga inilah dibuat 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
menurut IEEE standar 81 dimodelkan sebagai berikut :
dimana :
Rhoav : 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 bagian pertama (meter)
K : koefesien refleksi
d : diameter elektroda (meter)
n : jumlah pengamatan (sampel) tiap lapisan tanah yang
diamati
Perbedaan tahanan jenis tanah akibat iklim biasanya terbatas
sampai kedalaman beberapa meter dari permukaan tanah, selanjutnya pada bagian
yang lebih dalam secara praktis 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
daerah 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 :
A : penampang konduktor (circular mills)
I : arus gangguan (Ampere)
t : lama gangguan (detik)
Tm : suhu maksimum konduktor yang diizinkan ( 0 C )
Ta : suhu sekeliling tahunan maksimum ( 0 C )
Persamaan di atas dapat digunakan untuk menentukan ukuran
penampang minimum dari konduktor tembaga yang dipakai sebagai kisi-kisi
pentanahan.
5. Penentuan panjang elektroda pentanahan
Kebutuhan akan konduktor
pentanahan pada umumnya baru diperkirakan setelah 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 karena 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
gabungan sistem grid dengan rod.
6. Penentuan Jumlah Batang Pengetanahan
Pada saat arus gangguan mengalir
antara batang pengetanahan dengan tanah, tanah akan menjadi panas akibat i2r .
Suhu tanah harus tetap di bawah 100 0 C untuk menjaga jangan sampai terjadi
penguapan air kandungan dalam tanah dan kenaikan tahanan jenis tanah.
Kerapatan arus yang diizinkan pada permukaan batang
pentanahan dapat dihitung.
Dimana dapat di ketahui :
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 : lama waktu gangguan (detik)
Seluruh panjang batang pentanahan yang diperlukan dihitung
dari pembagian arus gangguan ke tanah dengan kerapatan arus yang diizinkan,
sedang jumlah minimum batang pentanahan yang diperlukan diperoleh dari
pembagian panjang total dengan panjang satu batang, atau dalam bentuk lain
dituliskan sebagai berikut :
Dima dimana dapat di rumuskan:
Nmin : jumlah minimum batang pentanahan yang diperlukan
Ig : arus gangguan ke tanah (Ampere)
i : kerapatan arus yang diizinkan (Ampere/cm)
Jenis
Jenis -jenis Pentanahan (Sistem
Grounding)
-jenis Pentanahan (Sistem Grounding) - Sistim
grounding/pentanahan perlu dimiliki pada suatu instalasi. Dalam pemasangannya,
sistim gorunding tersebut terbagi pada beberapa type tergantung dari kebutuhan
dan tingkat keamanan yang dibutuhkan serta regulasi yang berlaku pada suatu
wilayah yang kadang-kadang menetapkan type jenis pentanahan yang hanya boleh
digunakan pada daerah tersebut oleh pejabat berwenang. Ketika akan mendesain
suatu sistim instalasi, hal pertama yang perlu dilakukan adalah menentukan type
pentanahan apa yang akan digunakan untuk instalasi tersebut.Terdapat beberapa
type pentanahan yang digunakan berdasarkan standar IEEE yang menjadi acuan
terhadap sistim pentanahan pada suatu instalasi, sbb :
