Elektroda Batang Mereduksi Nilai Tahanan Pentanahan


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 dan juga gradien tegangan pada permukaan tanah itu sendiri. Besarnya gradien tegangan pada permukaan tanah tergantung pada tahanan jenis tanah atau sesuai dengan 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 Manusi

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 semua 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 :

(1)

(2)               Jika k= (3)

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 = 0.157

Dengan menggunakan persamaan (3) akan diperoleh besarnya arus yang masih dapat ditahan seseorang sebagai berikut : (4)
(5)

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 :

(6)

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 :

(7)

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 : (8)

dimana :

    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 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 : 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 : (10)

dimana :

    Nmin : jumlah minimum batang pentanahan yang diperlukan
    Ig : arus gangguan ke tanah (Ampere)
    i : kerapatan arus yang diizinkan (Ampere/cm)

7. Bentuk-Bentuk Elektroda Pentanahan

7.1 Pentanahan Rod (Elektroda Batang )

    Di bawah ini diperlihatkan disribusi tegangan yang terjadi untuk satu batang elektroda dan dua batang elektroda yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah, dimana arus kesalahan mengalir dari elektroda tersebut ke tanah sekitarnya.
    Gambar 1
    • R : tahanan (Ohm)
      p : tahanan jenis tanah tiap lapisan (Ohm-m)
      C : kapasitansi (statt Farad)
      Rd1 : tahanan untuk satu batang elektroda yang ditanam tegak lurus permukaan tanah (Ohm)
      L : panjang elektroda batang (meter)
      a : jari-jari batang elektroda (cm)
      r : tahanan jenis tanah rata-rata (Ohm-m)
      (indeks 1 atau 2 menunjukkan lapisan tanah)
      hb : kedalaman penanaman elektroda (meter)
  • dimana Ux : teagangan elektroda pentanahan atau tegangan antara elektroda dengan tanah
    x : jarak dari elektroda  Gambar 2Dengan demikian untuk jumlah elektroda yang lebih banyak yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah maka tahanan pentanahan semakin kecil dan distribusi tegangan akan lebih merata.

    7.1.1 Satu batang elektroda yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah

    Dari suatu konduktor terdapat hubungan antara tahanan dan kapasitansi sebesar :R = r / 2pC (11)
    dimana :

    Kapasitansi ini termasuk kapasitansi dari bayangan konduktor yang ditanam ke dalam tanah. Pada gambar-3 satu batang elektroda berbentuk selinder dengan panjang L yang ditanam tegak lurus permukaan tanah berdiameter 2a, dengan bayangan di atas permukaan tanah. Untuk menghitung kapasitansi elektroda pentanahan dan bayangan, digunakan metode potensial rata rata menurut G.W.O Home. Dalam persoalan pentanahan, elektroda pentanahan merupakan bahan penghantar yang membawa muatan listrik yang terdistribusi (menyebar) disekeliling elektroda pentanahan. Dengan cara seperti ini potensial di setiap tempat pada permukaan elektroda akan sama. Bila pada elektroda tersebut diberikan suatu muatan yang merata, maka kapasitansi dapat dihitung dengan metode potensial rata rata. Hasil yang didapatkan untuk satu batang elektroda berbentuk selinder yang ditanam seluruhnya di dalam tanah dinyatakan dengan persamaan : (12)

    Gambar 3

    Maka tahanan dari satu batang elektroda yang ditanam tegak lurus permukaan tanah menurut H.B Dwight, di dapat dengan mensustitusikan persamaan (12) ke dalam persamaan (11) sehingga diperoleh persamaan untuk gambar (3.a) sbb: (13)

    Untuk elektroda batang yang ditanam tegak lurus dan pada kedalaman beberapa cm di bawah permukaan tanah (gambar 3.b) berlaku hubungan:

    (14)

    Untuk gambar (3.c) satu batang elektroda tegak lurus kedalam tanah, dan menembus lapisan kedua tanah tersebut. Hal ini berlaku persamaan :

    (14-a)

    Untuk gambar (3.d) satu batang elektroda tegak lurus kedalam tanah, pada kedalaman beberapa cm di bawah permukaan tanah dan menembus lapisan kedua tanah tersebut. Hal ini berlaku persamaan :

    (14-b)


    dimana :

7.1.2 Dua batang elektroda tegak lurus ke dalam tanah

Susunan dari dua batang elektroda berbentuk selinder dengan panjang L yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah dengan jarak antara ke dua elektroda tersebut sebesar S terlihat pada gambar di bawah. Nilai tahanan pentanahan dan tahanan jenis tanah yang relatif tinggi, maka untuk menguranginya dengan cara menanamkan batang-batang elektroda pentanahan dalam jumlah yang cukup banyak. Untuk dua batang elektroda pentanahan yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah oleh Dwight, JL. Marshall dengan memperhatikan efek bayangan biasanya adalah dengan menghitung tegangan pada salah satu batang elektroda yang disebabkan oleh distribusi muatan yang merata di batang elektroda itu sendiri dan pada batang elektroda yang lain termasuk bayangannya. Dengan menghitung tegangan rata-rata yang disebabkan oleh muatan batang elektroda itu sendiri dan menghitung tegangan rata-rata yang disebabkan oleh muatan batang elektroda yang lain. Tegangan total rata-rata diperoleh dengan menjumlahkan antara keduanya.

Gambar 4
Rumus tahanan pentanahan untuk dua batang elektroda yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah adalah [13]: (15)
untuk S > L
(16)
untuk S < L
dimana :  S : jarak antara kedua elektroda (meter)

7.1.3 Beberapa batang elektroda (Multiple-Rod) yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah

Jika susunan batang – batang elektroda yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah dalam jumlah yang lebih banyak, maka tahanan pentanahan akan semakin kecil dan distribusi tegangan pada permukaan tanah akan lebih merata. Penanaman elektroda yang tegak lurus ke dalam tanah dapat berbentuk bujur sangkar atau empat persegi panjang dengan jarak antara batang elektroda pentanahan adalah sama seperti pada dalam gambar berikut :

Gambar 5Nilai tahanan pentanahan untuk beberapa batang elektroda yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah di mana rod menembus lapisan tanah paling bawah/kedua, dihitung dengan mengikuti persamaan berikut:

( )
(17)

dimana Rt adalah tahanan elektroda batang (rod)
(18)
(19)
(20)
(21)
(22)
(24)

(25)

Keterangan :

N : jumlah batang rod
Cf (shafe factor = 0.9)
Ra dan Rb (tahanan berdasarkan pososi elektroda ( gambar.5))
Analisa :
Dimisalkan :
panjang tiap konduktor batang =3.5 meter
diameter konduktor batang = 3/4 inch = 0.01905 meter
Jari-jari batang konduktor =9.525×10-3 meter
tahanan jenis tanah rata-rata lapisan pertama =750 Ohm-m
tahanan jenis tanah rata-rata lapisan kedua =550 Ohm-m
Ketebalan lapisan tanah bagian atas h = 3.8 meter
Kedalaman penanaman elektroda hb = 0.5 meter
1). Berdasarkan gambar (3-a) dengan mengacu pada persamaan (13) diperoleh : Rd1 = 214.7256  W 2). Beradasrkan gambar (3-b) dengan mengacu pada persamaan (14) diperoleh : Rd1 = 191.0741  W 3). Berdasarkan gambar (3-c) dengan mengacu pada persamaan (14-a) diperoleh : Rd1 = 157.4655  W 4). Berdasarkan gambar (3-d) dengan mengacu pada persamaan (14-b) diperoleh : Rd1 = 196,6387  W 5). Berdasarkan gambar (4) dengan mengacu pada persamaan (15) dimana S > L untuk S = 4 meter Rd2 = 121.9813 W
untuk S = 5 meter Rd2 = 118.5008 W
Berdasarkan gambar (4) dengan mengacu pada persamaan (16) dimana S < L untuk S = 3 meter Rd2 = 123.1448 W
untuk S = 2.5 meter Rd2 = 125.3299 W
6). Pentanahan dengan Multiple – rod sesuai dengan persamaan (17 – 22) maka :
N=40


Dengan cara yang sama diperoleh sbb:
untuk N = 20 Rt = 30.6359 W
untuk N = 10 Rt = 61.0867 W
untuk N = 5 Rt = 122.0373 W

Kesimpulan

Dari analisa ini dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :

Sumber Bacaan

Ol eh : Tadjuddin
Penulis adalah staf pengajar Teknik Elektro Politeknik Unhas Ujung Pandang



http://www.elektroindonesia.com

About these ads

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s