56286316 pengaruh an air garam dan arang pada kinerja sistem grounding gardu induk2
DESCRIPTION
semoga bisa bermanfaatTRANSCRIPT
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
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.
1
Pentanahan merupakan faktor terpenting untuk meningkatkan keamanan
dalam sistem tenaga listrik dan peralatan - peralatan listrik, memelihara kondisi
kestabilan tegangan serta mencegah tegangan lebih puncak selama gangguan.
Untuk mendistribusikan arus gangguan yang besar secara merata ke dalam tanah
melalui elektroda pentanahan, maka dibutuhkan tahanan tanah yang rendah.
Tahanan tanah ini dipengaruhi oleh nilai tahanan jenisnya.
Karakteristik tanah berbeda - beda sehingga tahanan jenis tanahnya juga
bermacam – macam. Berbagai macam cara perlakuan dilakukan pada tanah untuk
memperkecil nilai tahanan jenis tanah tersebut. Maka dari hal diatas penting sekali
penyelidikan tentang karakteristik tanah untuk mendapatkan nilai tahanan jenis
tanah yang ideal.
1.2 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menganalisa pengaruh perlakuan
fisik tanah dengan penambahan air, garam dan arang pada tanah kering terhadap
sistem grounding yang digunakan pada suatu daerah peralatan gardu induk.
Kinerja yang dimaksud yaitu tahanan pentanahan, faktor reduksi permukaan gardu
induk, tegangan sentuh toleransi, tegangan mesh, tegangan langkah toleransi,
tegangan langkah sebenarnya dan panjang minimum penghantar.
1.3 Manfaat Penelitian
Dengan dilakukannya penelitian ini maka diharapkan akan diketahui
sistem pentanahan yang baik untuk suatu daerah peralatan pada suatu gardu induk.
2
1.4 Batasan Masalah
Penelitian ini membahas masalah pentanahan pada daerah gardu induk
dengan kondisi tahanan jenis tanah yang berubah-ubah pada daerah tersebut yang
meliputi penghitungan tahanan tanah, faktor reduksi permukaan gardu, tegangan
langkah toleransi, tegangan sentuh toleransi, tegangan mesh dan tegangan langkah
sebenarnya. Arus gangguan yang diterapkan 2000 A, frekwensi 60 Hz, berat
tubuh manusia diperkirakan 70 Kg, suhu rata-rata 400 C, dan kondisi tanah kering
dengan resistifitas 1000 Ω dilapisi kerikil dengan resistifitas 5000 Ω.
1.5 Sistematika Penulisan
Untuk penyajiannya, penulisan dibagi dalam lima bab sebagai berikut :
BAB I : Pendahuluan. Bab ini berisi latar belakang masalah, tujuan
penelitian, batasan masalah dan sistematika penulisan.
BAB II : Teori Dasar. Bab ini berisi tentang sistem pengetanahan
gardu induk, macam tegangan, arus yang melalui tubuh,
dan perencanaan system pentanahan gardu induk
BAB III : Percobaan. Bab ini berisi metoda percobaan, data system
pentanahan gardu induk yang diteliti dan sistem penelitian.
BAB IV : Pengukuran dan Analisa. Bab ini berisi hasil pengukuran
dan analisisnya.
BAB V : Kesimpulan dan Saran. Bab ini berisi kesimpulan dari hasil
pengukuran beserta saran – sarannya.
3
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengenalan Pentanahan
Sistem pentanahan merupakan pentanahan antara elektroda tanah dan
tanah disekitar elektroda tersebut. Sistem ini umumnya dilakukan dengan cara
penanaman elektroda besi atau elektroda tembaga kedalam tanah dan kalau
memungkinkan sampai ke dalam air tanah. Elektroda yang ditanah ini kemudian
disambung dengan kawat tembaga atau kawat besi tebal yang gunanya adalah
untuk menghubungkan antara bangunan dan instalasi listrik yang akan diproteksi
dari sambaran petir. Bentuk dari elektroda tadi ada berbagai macam, antara lain
diantaranya elektroda batang (driven rod), elektroda strip (bentuk bintang, bentuk
cincin, bentuk grid) dan elektroda pelat.
Sampai dengan kira-kira tahun 1910 sistem tenaga listrik tidak ditanahkan.
Hal ini disebabkan masih kecilnya arus gangguan (kurang 5A). Bila terjadi
gangguan antara phasa ke tanah, maka busur listrik yang timbul akan padam
dengan sendirinya. Pada saat ini sistem tenaga listrik semakin besar baik
panjangnya maupun tegangannya sehingga arus yang timbul bila terjadi gangguan
tanah makin besar dan busur listrik yang muncul pun tidak dapat padam dengan
sendirinya. Gejala ini sangat berbahaya karena dapat menimbulkan kerusakan
pada peralatan .
Oleh karena itu mulai tahun 1910-an pada saat sistem-sistem tenaga relatif
mulai besar, sistem-sistem itu tidak lagi dibiarkan terapung yang dinamakan
sistem delta, tetapi karena titik netral sistem itu diketanahkan melalui tahanan atau
4
reaktansi. Pentanahan itu pada umumnya dilakukan dengan menghubungkan
netral transformator daya ketanah.
Metoda-metoda pentanahan netral dari sistem-sistem tenaga adalah :
a. Pentanahan melalui tahanan (resistance grounding)
b. Pentanahan melalui reaktor (reactor grounding)
c. Pentanahan tanpa impedansi (solid grounding)
d. Pentanahan efektif (effectif grounding)
f. Pentanahan dengan reaktor yang impedansinya dapat berubah-ubah
(resonant grounding) atau pentanahan dengan kumparan Petersen.
Pada sistem tenaga yang semakin besar dengan panjang saluran dan
besarnya tegangan, akan menimbulkan arus gangguan yang semakin besar pula
( diatas 5A ) Dengan demikian apabila terjadi gangguan tanah makin besar dan
busur listrik tidak dapat padam dengan sendirinya. Ditambah lagi gejala-gejala
busur tanah atau 'arcing grounds' semakin menonjol. Gejala busur tanah adalah
suatu proses terjadinya pemutusan (clearing) dan pukulan balik (restriking) dari
busur listrik secara berulang-ulang. ini sangat berbahaya karena dapat
menimbulkan tegangan lebih transien yang tinggi yang dapat merusak peralatan.
Oleh karena pada sistem-sistem tenaga relatif besar, sistem tidak lagi
dibiarkan terapung atau sistem delta, tetapi titik netral sistem itu diketanahkan
melalui tahanan atau reaktansi. Pengetanahan itu umumnya dilakukan dengan
menghubungkan titik netral transformator daya dengan tanah.
5
NI FG
ZA Z ZB C
AB
C
Gambar 2.1 Sistem yang tidak diketanahkan dalam keadaan gangguan kawat
tanah IFG = arus gangguan
Pada sistem-sistem yang tidak diketanahkan atau pada sistem delta, arus
gangguan itu tergantung dari impedansi kapasitif Za, Zb dan Zc, yaitu impedansi
kapasitif masing-masing kawat-fasa terhadap tanah, (Gambar 2.1). Bila sistem itu
diketanahkan arus gangguan itu tidak lagi tergantung pada impedansi kapasitif
kawat-kawat tetapi juga tergantung pada impedansi alat pengetanahan dan
transformatornya,(Gambar 2.2).
Jadi dengan mengetanahkan titik netral sistem, arus gangguan jelas menjadi
lebih besar dibandingkan dengan arus gangguan pada sistem delta, namun
sebaliknya membatasi tegangan pada fasa-fasa yang tidak terganggu. Jadi didalam
menentukan impedansi pengetanahan itu harus diperhatikan hubungan antara
besar arus gangguan dan tegangan yang mungkin timbul.
N
FGIA
Z ZB C
C
B
A
Z N
Z
6
Gambar 2.2 Sistem yang diketanahkan dalam keadaan gangguan kawat
tanah IFG = arus gangguan
Keterangan diatas dapat disimpulkan bahwa tujuan dari pengetanahan
adalah:
1- Pada sistem tenaga besar yang tidak diketanahakan arus gangguan relative
besar (>5 A) sehingga busur listrik yang timbul tidak dapat padam sendiri,
di mana akan menimbulkan busur tanah dengan pada sistem yang
diketanahkan gejala tersebut hampir tidak terjadi.
2- Untuk membatasi tegangan pada fasa-fasa yang tidak terganggu.
32.2 Pengetanahan Gardu Induk
Pengetanahan gardu induk mula-mula dilakukan dengan menanamkan
batang-batang konduktor tegak lurus permukaan tanah (vertikal). Tetapi kemudian
orang menggunakan sistem pengetanahan dengan menanamkan batang-batang
konduktor sejajar dengan permukaan tanah. Hal ini dilakukan mula-mula karena
pada suatu daerah yang berbatu sehingga tidak dapat menanamkan elektroda
pengetanahan lebih dalam. Setelah diselidiki lebih lanjut ternyata pengetanahan
dengan sistem penanaman horisontal dengan bentuk kisi-kisi (grid) mempunyai
keuntungan-keuntungan dibandingkan dengan pengetanahan yang memakai
batang-batang vertikal. Sistem pengetanahan batang vertikal masih banyak
digunakan pada gardu-gardu induk,dan juga merupakan teori dasar dari sistem
pentanahan.
7
Tujuan utama dari berbagai sistem pengetanahan tersebut adalah untuk
mendapatkan tahanan kontak ke tanah yang cukup kecil. Untuk mengetahui
sejauh mana tahanan kontak ke tanah dapat diperkecil, perlu mengetahui rumus-
rumus tahanan kontak ke tanah dari masing-masing sistem pengetanahan.
Dasar perhitungan tahanan pentanahan adalah perhitungan kapasitansi dari
susunan batang-batang elektroda pengetanahan dengan anggapan bahwa distribusi
arus atau muatan uniform sepanjang batang elektroda. Hubungan tahanan dan
kapasitansi dapat dijelaskan dengan suatu analogi. Analogi ini merupakan dasar
perhitungan karena aliran arus masuk ke dalam tanah dari elektroda pengetanahan
mempunyai kesamaan dengan emisi fluks listrik dari konfigurasi yang sama dari
konduktor yang mempunyai muatan yang terisolir.
L u a s A cm2Q = q A C o u lo u m b
d cm
Gambar 2.3 Konduktor plat
Jumlah garis fluks yang melalui dielektrik di antara kedua pelat adalah 4 π
q.A dan kuat medannya adalah 4 π q. Maka tegangan antara kedua pelat V = 4 π q
d Volt, jumlah muatan Q adalah q A Couloumb.
Dari hubungan :
C = Q / V
diperoleh,
8
Aq
dqC
.
.4/1
π=
A
dC
.4/1
π= (2.1)
Jika diantara kedua pelat diletakkan tanah dengan tahanan jenis ρ Ohm-cm maka
tahanan antara pelat adalah :
A
dR ρ=
Dari persamaan
CAd
π4
1/ =
akhirnya didapat harga tahanan :
CR
πρ
4= (2.2)
dimana :
R = tahanan (dalam Ohm)
C = kapasitansi (dalam statfarad)
Ρ = tahanan jenis tanah (dalam Ohm-cm)
Dalam hal ini tahanan elektrodanya sendiri tidak diperhitungkan karena
tahanan jenis konduktor kecil sekali dibandingkan dengan tahanan jenis tanah.
Kalau kita perhatikan persamaan (2.2), maka persoalannya adalah penentuan
kapasitansi dari sistem pengetanahan untuk menentukan tahanan
pengetanahannya. Penentuan besar kapasitansi suatu sistem pengetanahan adalah
dengan prinsip bayangan.
9
Prinsip bayangan secara sederhana dapat diterangkan sebagai berikut.
Misalkan dua elektroda titik 1 dan 1 bermuatan yang sama besarnya di dalam
media yang tak terbatas, dan juga dimisalkan arus I mengalir pada kedua titik
tersebut.
S’
S
1
1
P
Gambar 2.4 Prinsip Bayangan
Arus I akan mengalir ke luar dari kedua elektroda secara radial. Suatu
bidang bayangan terletak di tengah-tengah kedua elektroda dan tegak lurus
terhadap garis hubung kedua elektroda. Karena kedua elektroda tersebut simetris
terhadap bidang bayangan. Apabila media dan elektroda pada kedua sisi
dihilangkan tanpa mengubah distribusi arus dan tegangan maka bidang bayangan
PP’ dapat disamakan dengan permukaan tanah. Apabila bidang bayangan
dianggap sebagai permuakaan tanah maka potensial disebabkan oleh elektroda di
bawah permukaan tanah adalah:
+=
'
11
4
1
SSV
πρ
(2.3)
dimana :
V = potensial pada permukaan tanah,
10
I = arus yang masuk tanah dari elektroda
ρ = tahanan jenis tanah
S = jarak elektroda terhadap permukaan tanah
S’= jarak bayangan elektroda terhadap permuakaan tanah.
2.3 Tahanan Jenis Tanah
Faktor keseimbangan antara tahanan pentanahan dan kapasitansi di
sekelilingnya adalah tahanan jenis tanah yang direpresentasikan dengan ρ dalam
persamaan (2.2). Harga tahanan jenis tanah pada daerah kedalaman yang terbatas
tergantung dari beberapa faktor yaitu :
a. Jenis tanah : tanah liat, berpasir , berbatu dan lain-lain.
b. Lapisan Tanah : berlapis-lapis dengan tahanan jenis yang berlainan
atau uniform
c. Kelembaban tanah
d. Temperatur
Tahanan jenis tanah bervariasi dari 500 sampai 50000 Ohm per cm3.
Kadang-kadang harga ini dinyatakan dalam Ohm-cm. Pernyataan Ohm-cm
merepresentsikan tahanan di antara dua permukaan yang beralawanan dari suatu
volume tanah yang berisi 1 cm3.
Sering dicoba untuk mengubah komposisi kimia tanah dengan
memberikan garam pada tanah dekat elektroda pengetanahan dengan maksud
mendapatkan tahanan jenis tanah yang rendah. Cara ini hanya baik untuk
sementara sebab proses penggaraman harus dilakukan secara periodik, sedikitnya
enam bulan sekali.
11
Dengan memberi air atau membasahi tanah juga mengubah tahanan jenis
tanah. Harga tahanan jenis tanah pada kedalaman yang terbatas sangat tergantung
dengan keadaan cuaca. Untuk mendapatkan tahanan jenis tanah rata-rata untuk
keperluan perencanaan maka diperlukan penyelidikan atau pengukuran dalam
jangka waktu tertentu misalnya selama satu tahun. Biasanya tahanan tanah juga
tergantung dari tingginya permukaan tanah dari permukaan air konstan.
Untuk mengurangi variasi tahanan jenis tanah akibat pengaruh musim,
pengetanahan dapat dilakukan dengan menanamkan elektroda pengetanahan
sampai mencapai kedalaman dimana terdapat air tanah yang konstan. Pada sistem
pengetanahan yang tidak mungkin atau tidak perlu untuk ditanam lebih dalam
sehingga mencapai air tanah yang konstan, variasi tahanan jenis tanah yang besar.
Karena kadang kala penanaman memungkinkan kelembaban dan temperatur
bervariasi, harga tahanan jenis tanah harus diambil untuk keadaan yang paling
buruk, yaitu tanah kering dan dingin.
Setelah diperoleh harga tahanan jenis tanah, dan biasanya diambil harga
yang tertinggi, maka berdasarkan harga tahanan jenis tersebut dibuat perencanaan
pengetanahan. Jadi pada suatu perencanaan pengetanahan, pengukuran tahanan
jenis tanah pada tempat di mana akan didirikan gardu induk harus dilakukan
terlebih dahulu.
2.4 Pengukuran Tahanan Jenis Tanah
Pengukuran tahanan jenis tanah biasanya dilakukan dengan cara :
12
1. Metode empat elektroda (four electroda method)
atau
2. Metoda tiga titik (three pint method)
Pengukuran tahan jenis tanah dengan metoda empat elektroda menggunakan
empat buah elektroda, satu batere, sebuah amperemeter dan sebuah voltmeter
yang sensitif, sebagai terlihat pada gambar.
A
V
a a a
2 4 3 1
Gambar 2.5 pengukuran tahanan jenis tanah dengan metoda empat elektroda
Bila arus I masuk ke tanah melalui salah satu elektroda dan kembali ke elektroda
yang lain cukup jauh sehingga pengaruh diameter konduktor dapat diabaikan.
Arus yang masuk ke tanah mengalir secara radial dari elektroda, misalkan arah
arus dalam tanah dari elektroda 1 ke elektroda 2 berbentuk permukaan bola
dengan jari-jari r, luas permukaan tersebut adalah 2 π r2, dan rapat arus radial pada
jarak r adalah J = I / 2 π r2.
Bila ρ adalah tahanan jenis tanah, maka kuat medan dalam tanah pada arah
radial dengan jarak r adalah E(r) = J.
13
Jadi, ( )22 r
IrE
πρ=
Potensial pada jarak r dari elektroda adalah integral dari gaya listrik dari jarak r ke
titik tak terhingga :
( )r
IdrrEV
r πρ
2
~
== ∫
Perbandingan antara tegangan dan arus atau tahan menjadi :
rR
πρ
2=
Dari gambar, terlihat, r13 = r34 = r24 = a.
Jadi :
−=
aa
IV
2
11
23 πρ
dan
−=
aa
IV
1
2
1
24 πρ
Beda tegangan antara titik 3 dan 4 adalah :
++−=
aaaa
IV
1
2
1
2
11
234 πρ
a
I
πρ
2=
dan
aI
VR
πρ
234
34 ==
jadi :
342 aRπρ = (2.4)
14
Bila a dalam meter dan R dalam Ohm maka tahanan jenis dalam Ohm-
meter. Dengan alat ukur yang dibuat khusus untuk ini yang terdiri dari generator
yang diputar dengan tangan dan ohm-meter, dapat dibaca langsung tahanan antara
elektroda arus dan elektroda tegangan.
Metoda tiga titik (three-point method) dimaksudkan untuk mengukur
tahanan pengetanahan. Misalkan tiga buah batang pengetanahan di mana batang 1
yang tahanannya hendak diukur dan batang-batang 2 dan 3 sebagai batang
pengetanahan pembantu yang juga belum diketahui tahanannya, gambar
A
V
1 2 3
Gambar 2.6 Metoda tiga titik
Bila tahanan di antara tiap-tiap titik batang pengetanahan diukur dengan
arus konstan, tiap pengukuran dapat ditulis sebagai berikut :
1222112_1
2_1 2RRRI
VR −+==
1333113_1
3_1 2RRRI
VR −+==
2333223_2
3_2 2RRRI
VR −+==
15
231312113_23_12_1 2222 RRRR
I
VVV+−−=
++
Tetapi,
3_22_13_1 VVV +=
Jadi :
231312112_1 RRRR
I
VR +−−==
Akhirnya :
23131211 RRRRR −++= (2.5)
Tahanan batang pengetanahan dari elektroda 1 diberikan oleh persamaan
(2.5) jika kita dapat membuat :
0231312 =−+ RRR (2.6)
keadaan ini dapat diperoleh dengan mengatur posisi elektroda 2 sehingga harga
persamaan (2.6) dipenuhi.
2.5 Bahaya-Bahaya yang Timbul Pada Gardu Induk Pada Keadaan
Gangguan Tanah
Secara umum kita tinjau dahulu bahaya-bahaya yang mungkin dapat
ditimbulkan oleh tegangan atau arus listrik terhadap manusia mulai dari yang
ringan sampai yang paling berat yaitu: terkejut, pingsan atau mati.
16
Ringan atau berat bahaya yang timbul, tergantung dari faktor-faktor
dibawah ini sebagai berikut :
1. Tegangan dan kondisi orang terhadap tegangan tersebut.
2. Besarnya arus yang melewati tubuh manusia
3. Jenis arus, searah atau bolak-balik
2.5.1 Tegangan
Pada sistem tegangan tinggi sering terjadi kecelakaan terhadap manusia,
dalam hal terjadi tegangan kontak langsung atau dalam hal manusia berada di
dalam suatu daerah yang mempunyai gradien tegangan yang tinggi. Akan tetapi
sebenarnya yang menyebabkan bahaya tersebut adalah besarnya arus yang
mengalir dalam tubuh manusia.
Khususnya pada gardu-gardu induk kemungkinan terjadinya bahaya
terutama disebabkan oleh timbulnya gangguan yang menyebabkan arus mengalir
ke tanah. Arus gangguan ini akan mengalir pada bagian-bagian peralatan yang
terbuat dari metal dan juga mengalir dalam tanah di sekitar gardu induk. Arus
gangguan tersebut menimbulkan gradien tegangan diantara peralatan dengan
peralatan, peralatan dengan tanah dan juga gradien tegangan pada permukaan
tanah itu sendiri. Untuk menganalisis lebih lanjut akan ditinjau beberapa
kemungkinan terjadinya tegangan dan kondisi orang yang sedang berada di dalam
dan di sekitar gardu induk tersebut.
17
2.5.1.1 Macam Tegangan
Sulit untuk menentukan secara tepat mengenai perhitungan tegangan yang
mungkin timbul akibat kesalahan ke tanah terhadap orang yang sedang berada di
dalam atau di sekitar gardu iduk, karenanya banyaknya faktor yang
mempengaruhi dan tidak diketahui.
Untuk menganalisis keadaan ini maka diambil beberapa pendekatan sesuai
dengan kondisi orang yang sedang berada di dalam atau di sekitar gardu induk
tersebut pada saat terjadi kesalahan ke tanah.
Pada hakekatnya perbedaan tegangan selama mengalir nya arus gangguan
tanah dapat digambarkan sebagai berikut :
1. Tegangan sentuh
2. Tegangan langkah
3. Tegangan pindah
2.5.1.1.1 Tegangan Sentuh
Tegangan sentuh adalah tegangan yang terdapat diantara suatu obyek yang
disentuh dan suatu titik berjarak 1 meter, dengan asumsi bahwa obyek yang
disentuh dihubungkan dengan kisi-kisi pengetanahan yang berada dibawahnya.
Besar arus gangguan dibatasi oleh tahanan orang dan tahanan kontak ke tanah dari
kaki orang tersebut, seperti pada gambar 2.7.
18
Gambar 2.7. Tegangan sentuh
Gambar 2.8. Rangkaian pengganti tegangan sentuh
Dari rangkaian pengganti dapat dilihat hubungannya sebagai berikut :
kf
ks IR
RE ×
+=
2 (2.7)
Dimana :
Es = tegangan sentuh (volt)
19
Rk = tahanan badan orang (= 1000 Ohm)Rf = tahanan kontak ke tanah dari satu kaki pada tanah yang diberi
lapisan koral 10 cm (= 3000 Ohm)Ik = besarnya arus yang melaluibadan (Ampere)
Tahanan badan orang telah diselidiki oleh beberapa ahli sebagaimana terdapat
dalam tabel 7.4, dan sebagai harga pendekatan diambil 1000=kR Ohm.
Tahanan Rf mendekati harga 3 ρ s dimana ρ s adalah tahanan jenis tanah
disekitar permukaan. Arus Ik diambil dari harga dalam persamaan 7.4, dimana
tIk /116,0= .
tE s
s
116,0
2
31000 ×
+= ρ
(2.8)
Dimana :
ρ s = tahanan jenis tanah disekitar pemukaan tanah (Ohm-meter) = 3000
Ohm-meter untuk permukaan tanah yang dilapisi koral 10 cm.t = waktu kejut (detik) atau lama gangguan tanah.
Dalam Tabel 2.1 diberikan besar tegangan sentuh yang diijinkan dan lama
gangguan.
Lama gangguan t
(detik)
Tegangan sentuh yang diijinkan
(Volt)0,1 1.9800,2 1.4000,3 1.1400,4 990
20
0,5 8901,0 6262,0 4433,0 362
Tabel 2.1. Tegangan sentuh yang diijinkan dan lama gangguan
2.5.1.1.2 Tegangan Langkah
Tegangan langkah adalah tegangan yang timbul di antara dua kaki orang
yang sedang berdiri di atas tanah yang sedang dialiri oleh arus kesalahan ke tanah.
Untuk lebih jelas dapat dilihat pada gambar 2.8
Dalam hal ini dimisalkan jarak antara kedua kaki orang adalah 1 meter dan
diameter kaki dimisalkan 8 cm dalam keadaan tidak memakai sepatu.
Gambar 2.9 Tegangan langkah dekat peralatan yang diketanahkan
21
Gambar 2.10. Rangkaian pengganti tegangan langkah
Dengan menggunakan rangkaian pengganti dapat ditentkan tegangan
langkah sebagai berikut :
( ) kfkl IRRE ×+= 2
( )t
s
116,061000 ×+= ρ
tE s
l
ρ×+= 696,0116
(2.9)
Dimana :
l = tegangan langkah (volt)kR = tahanan badan orang (ohm) = 1000 Ohm
fR = tahanan kontak ke tanah dari satu kaki (ohm) = 3 sρt = waktu kejut (detik)
sρ = tahanan jenis tanah disekitar permukaan tanah (ohm-meter)
22
= 3000 ohm-meter untuk permukaan tanah yang dilapisi koral 10 cm
Dalam Tabel 2.2 diberikan besar tegangan langkah yang diijinkan dan lama
gangguan.
Lama gangguan t
(detik)
Tegangan langkah yang diijinkan
(Volt)0,1 7.0000,2 4.9500,3 4.0400,4 3.5000,5 3.1401,0 2.2162,0 1.5603,0 1.280
Tabel 2.2. Tegangan langkah yang diijinkan dan lama gangguan
2.5.1.1.3 Tegangan Pindah
Tegangan pindah adalah hal khusus dari tegangan sentuh, dimana
tegangan ini terjadi bila pada saat terjadi kesalahan orang berdiri di dalam gardu
induk, dan menyentuh suatu peralatan yang diketanahkan pada titik jauh
sedangkan alat tersebut dialiri oleh arus kesalahan ke tanah, gambar 2.9.
Dari gambar 2.9 terlihat bahwa, orang akan merasakan tegangan yang
lebih besar bila dibandingkan dengan tegangan sentuh seperti pada gambar 2.7.
Tegangan pindah akan sama dengan tegangan pada tahanan kontak pengetanahan
total. Tegangan pindah itu sulit untuk dibatasi, tetapi biasanya konduktor-
konduktor telanjang yang terjangkau oleh tangan manusia telah diisolasi. Dari
gambar 2.9 diperoleh :
Epindah = I R0, dengan anggapan Ik « I sebab
kf R
R+
2 » R0
Dimana :
23
LrR
ρρ +=40
(2.10)
Dan :
r = jarijari ekivalen dari luas gardu indukL = panjang total dari konduktor kisi-kisi dan batang
Untuk waktu tertentu dari arus gangguan dalam detik, tegangan pindah
yang diijinkan adalah sama dengan tegangan sentuh.
Gambar 2.9. Tegangan pindah dengan rangkaian penggantinya
2.5.2 Arus Yang Melalui Tubuh Manusia
24
Kemampuan tubuh manusia terhadap besarnya arus yang mengalir di
dalamnya. Tetapi berapa besar dan lamanya arus yang masih dapat ditahan oleh
tubuh manusia sampai batas yang belum membahayakan sukar ditetapkan. Dalam
hal ini telah banyak diselidiki oleh para ahli dengan berbagai macam percobaan
baik dengan tubuh manusia sendiri maupun menggunakan binatang tertentu.
Dalam batas-batas tertentu dimana besarnya arus belum berbahaya terhadap organ
tubuh manusia telah diadakan berbagai percobaan terhadap beberapa orang
sukarelawan yang menghasilkan batas-batas besarnya arus dan pengaruhnya
terhadap manusia yang berbadan sehat. Batas-batas arus tersebut dibagi sebagai
berikut :
1. Arus mulai terasa atau persepsi.
2. Arus mempengaruhi otot.
3. Arus mengakibatkan pinsan atau mati atau arus fibrilasi
4. Arus reaksi
2.5.2.1 Arus Persepsi
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.
Pada Electrical Testing Laboratory New York tahun 1993 telah dilakukan
pengujian terhadap 40 orang laki-laki dan perempuan, dan diperoleh arus rata-rata
yang disebut threshold of perception current sebagai berikut :
25
1. untuk laki-laki : 1,1 mA.
2. Untuk perempuan : 0,7 mA.
2.5.2.2 Arus Yang Mempengaruhi Otot
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 yang dipegangnya.
Di University of California Medical School telah dilakukan penyelidikan
terhadap 134 orang laki-laki dan 28 orang perempuan dan diperoleh angka rata-
rata yang mempengaruhi otot sebagai berikut :
1. untuk laki-laki : 16 mA.
2. Untuk perempuan : 10,5 mA.
Berdasarkan penyelidikan ini telah ditetapkan batas arus maksimal dimana
orang masih dapat dengan segera melepaskan konduktor bila terkena arus listrik
sebagai berikut :
1. untuk laki-laki : 9 mA.
2. Untuk perempuan : 6 mA.
2.5.2.3 Arus Fibrilasi
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
26
jantung berhenti bekerja dan peredaran darah tidak jalan dan orang segera akan
mati.
Untuk mendapatkan nilai pendekatan suatu percobaan telah dilakukan
pada University of California oleh Dalziel pada tahun 1968 , dengan
menggunakan binatang yang mempunyai badan dan jantung yang kira-kira sama
dengan manusia disebutkan bahwa 99.5 % dari semua orang yang beratnya kurang
dari 50 kg masih dapat bertahan terhadap besar arus dan waktu yang ditentukan
oleh persamaan sebagai berikut :
KtIk =.2 atau t
KI k =
dimana :
k = K
K = 0,0135 untuk manusia dengan berat 50 kg
= 0,0246 untuk manusia dengan berat 70 kg
Maka :
50k = 0,116 Amper
70k = 0,157 Amper
Jadi :
0135,0.2 =tIk untuk berat badan 50 kg
Dan
tIk
116,0=
(2.11)
Dimana :
27
kI = besarnya arus yang mengalir melalui tubuh (Ampere)
t = lamanya arus mengalir dalam tubuh atau lama ganguan tanah (S)
2.5.2.4 Arus Reaksi
Arus reaksi adalah arus yang terkecil yang dapat menakibatkan orang
menjadi terkejut, hal ini cukup berbahaya karena dapat mengakibatkan kecelakaan
sampingan. Karena terkejut orang dapat jatuh dari tangga, melemparkan peralatan
yang sedang dipegang yang dapat mengenai bagian-bagian instalasi bertegangan
tinggi sehingga terjadi kecelakaan yang lebih fatal.
Penyelidikan yang terperinci telah dikemukan oleh DR. Hans Prinz
dimana batasan-batasan arus tersebut seperti tabel 2.3.
Besar Arus Pengaruh Pada Tubuh Manusi0 – 0,9 mA belum dirasakan pengaruhnya, tidak menimbulkan reaksi apa-
apa.0,9 – 1,2 mA baru terasa adanya arus listrik, tetapi tidak menimbulkan
akibatbkejang, kontraksi atau kehilangan kontrol.1,2 – 1,6 mA mulai terasa seakan-akan ada yang merayap di dalam tangan1,6 – 6 mA tangan sampai kesiku merasa kesemutan6 – 8 mA tangan mulai kaku, rasa kesemutan makin bertambah13 – 15 mA rasa sakit tidak tertahankan, penghantar masih dapat
melepaskan dengan gaya yang besar sekali15 – 20 mA otot tidak sanggup lagi melepaskan penghantar20 – 50 mA dapat mengakibatkan kerusakan pada tubuh manusia50 – 100 mA batas arus yang dapat menyebabkan kematianTabel 2.3. Batasan-batasan arus dan pengaruhnya pada manusia
2.5.3 Tahanan Tubuh Manusia
28
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. Sehingga hanya tahanan tubuh yang dapat membatasi arus.
Penyelidikan dan penelitian tahanan tubuh manusia yang diperoleh beberapa ahli
adalah sebagai berikut :
Peneliti Tahanan (Ohm) Keterangan
Dalziel 500 dengan tegangan 60 cps
AIEE Committee Report 2.330 dengan tegangan 21 volt
1958 tangan ke tangan mAIk 9=
1.130 tangan ke kaki
1.680 tangan ke tangan dengan arus
searah
800 tangan ke kaki dengan 50 cps
Laurent 3.000
Tabel 2.4. Berbagai harga tahanan tubuh manusia
Berdasarkan hasil penyelidikan oleh para ahli maka sebagai pendekatan diambil
harga tahanan tubuh manusia sebesar 1000 Ohm.
2.6 Perencanaan Sistem Pengetanahan Gardu Induk
2.6.1 Umum
29
Sistem pengetanahan peralatan-peralatan pada gardu induk biasanya
menggunakan konduktor yang ditanam secara horisontal, dengan bentuk kisi-kisi
(grid). Konduktor pengetanahan biasanya terbuat dari batang tembaga keras dan
memiliki konduktivitar tinggi, terbuat dari kabel tembaga yang dipilin (bare
stranded copper) dengan luas penampang 150 mm2 dan mempunyai kemampuan
arus hubung tanah sebesar 250 kA selama 1 detik. Konduktor itu ditanam sedalam
kira-kira 30 cm – 80 cm atau bila dibawah kepala pondasi sedalam kira-kira 25
cm.
Luas kisi-kisi daerah switchyard sesuai dengan peralatan-peralatan yang
ada, dibatasi maksimum 10 m × 5 m. Kisi-kisi pengetanahan bersambungan satu
dengan yang lainnya dan dihubungkan dengan batang pengetanahan yang terdiri-
dari batang tembaga. Batang tembaga ini berdiameter 15 mm, panjang 3,5 mm,
ditanam dengan kedalaman minimal sama dengan panjang batang itu sendiri.
Selanjutnya batang pengetnahan ini disebut titik pengetanahan.
Untuk pengetanahan rangka / badan dari peralatan dan struktur digunakan
batang-batang pengetanahan yang mempunyai luas penampang sama dengan luas
penampang kisi-kisi pengetanahan.
Semua dasar isolator-isolator, terminal-terminal pengetanahan dan
pemisah pengetanahan, netral trafo arus dan trafo tenaga, dasar penangkap petir
(lightning arrester) dan struktur dihubungkan dengan kisi-kisi pengetanahan.
Pagar swithyard yang terbuat dari besi/logam dan terisolir dari tanah diketanahkan
melaluibatang tembaga (35 mm2) panjang 1 meter serta ditanam di luar pagar
sedalam 50 cm dengan jarak lebih dari 5 meter terhadap kisi-kisi pengetanahan
utama.
30
2.6.2 Perencanaan Pengetanahan Switchard
Seperti yang telah dijelaskan bahwa arus gangguan tanah yang mengalir
ditempat gangguan maupun di tempat pengetanahan gardu induk menimbulkan
perbedaan tegangan di permukaan tanah yang dapat mengakibatkan terjadinya
tegangan sentuh dan tegangan langkah yang melampaui batas-batas keamanan
manusia dan binatang.
Sistem pengetanahan pada gardu induk membuat permukaan tanah di
lokasi gardu induk mempunyai perbedaan tegangan yang serendah-rendahnya
pada waktu terjadi gangguan hubungan tanah atau membuat tahanan tanah
serendah-rendahnya.
Pengetanahan peralatan pada gardu induk biasanya menggunakan sistem
pengetanahan kisi-kisi (grid) dan di lokasi switchyard diberi lapisan koral untuk
mengurangi besar perbedaan tegangan pada permukaan tanah.
Perencanaan sistem pengetanahan pada gardu induk ini didasarkan pada
standar IEEE 80 “IEEE guide for safety in substation Grounding” dengan
langkah-langkah sebagai berikut :
1. Pemeriksaan tahanan jenis tanah.
2. Perencanaan pendahuluan tata letak (layout) dan data-data.
3. Menghitung arus fibrilasi.
4. Menghitung jumlah batang pengetanahan yang diperlukan.
5. Menghitung arus gangguan hubung tanah.
6. Menghitung tahanan batang.
7. Menghitung ukuran konduktor kisi-kisi.
31
8. Menghitung tegangan sentuh.
9. Menghitung tegangan kisi-kisi (grid)
10. Menghitung tegangan mesh.
11. Menghitung tegangan langkah yang diijinkan.
12. Menghitung tegangan langkah yang sebenarnya.
13. Pemeriksaan tegangan trasfer (trasferred potential).
2.6.2.1 Tata Letak (Layout)
Kisi-kisi (grid) pengetanahan menggunakan konduktor tembaga bulat
yang ditanam pada seluruh batas gardu induk. Pengaturan tata letak sistem
pengetanahan pada suatu gardu induk dapat dilihat pada gambar 9.1. Pada gambar
tersebut diberikan panjang konduktor termasuk batang pengetanahan = 1.600
meter.
2.6.2.2 Tahanan Jenis Tanah
Pengukuran tahanan jenis tanah pada lokasi gardu induk diambil pada
beberapa titik lokasi. Tahanan jenis tanah dapat dihitung dengan mengguankan
persamaan 9.4 dan ditulis sebagai :
Raπρ 2= (2.12)
Dimana :
ρ = resistansi jenis rata-ratatanah (ohm-meter)a = jarak antara batang pentanahan yang terdekat (meter)R = besar resistans yang terukur (ohm)
Misalkan hasil pengukuran di lokasi gardu induk tersebut diperoleh besar tahanan
jenis rata-rata ρ = 750 ohm-meter.
32
2.6.2.3 Arus Fibrilasi
Besarnya arus yang mengalir pada tubuh manusia dimana arus listrik dapat
menyebabkan jantung mulai fibrilasi, dapat dihitung berdasarkan persamaan 9.2 :
tIk
116,0= (2.13)
Dimana :
Ik : arus fibrilasi (amper)t : lama waktu gangguan (detik) = 0,75 detik
Lama waktu gangguan t tergantung dari beberapa faktor, antara lain
stabilitas sistem, tipe switchgear dan tipe rele dan pemutus daya yang digunakan.
Sebegitu jauh belum ada standar mengenai lama waktu gangguan. Waktu yang
dianggap realistis berkisar antara 0,5 detik sampai 1,0 detik. Pengambilan waktu
0,75 detik di atas dianggap sudah memenuhi persyaratan dan cukup realistis. Bila
harga-harga tersebut dimasukan pada persamaan 9.2 diperoleh :
134,0=kI ampere
2.6.2.4 Jumlah Batang Pengetanahan yang Diperlukan
Pada waktu arus gangguan mengalir antara batang pengetanahan dan
tanah, tanah akan menjadi panas akibat arus ρ2i . Suhu tanah harus tetap di
bawah 100°C untuk menjaga jangan sampai terjadi penguapan pada air kandungan
dalam tanah dan kenaikan tahanan jenis.
Kerapatan arus yang diijinkan pada permukaan batang pengetanahan dapat
dihitung dengan persamaan :
tdi
ρδθ4101414,3 −×= (2.13)
33
Dimana :
i = kerapatan arus yang diijinkand = diameter batang pentanahan (mm)δ = panas jenis rata-rata tanah (watt-detik/m3/C)θ = kenaikan suhu tanah yang diijinkanρ = resistans jenis tanaht = lama waktu gangguan
Kenaikan suhu tanah yang diijinkan adalah antara perbedaan temperatur rata-rata
tahanan dan 100°C. misalkan kenaikan suhu diambil = 50°C, maka kerapatan arus
i :
i = 0,186 amp/cm (ρ = 750 ohm-meter)
seluruh panjang batang pentanahan yang diperlukan dihitung dari pembagian arus
gangguan ke tanah dengan kerapatan arus yang diijinkan, sedangkan jumlah
batang pengetanahan yang diperlukan diperoleh dari pembagian panjang total
dengan panjang satu batang. Jadi bila besar arus gangguan 1200 Ampere, maka
jumlah batang pengetanahan minimum dengan panjang 3,5 meter :
19186,01005,3
1200 =×× Batang
2.6.2.7 Arus Gangguan
Besar arus gangguan tanah maksimum didasarkan pada nilai pemutusan
(interrupting rating) dari peralatan pengetanahan gardu induk. Misalkan tegangan
sistem 70 KV dan diketanahkan dengan kumparan Petersen yang dilengkapi
dengan tahanan shunt. Besar arus gangguan tanah diambil 30% dari arus hubung
singkat tiga fasa, yaitu setelah kumparan petersen di paralel oleh tahanan. Dalam
disain ini dimisalkan arus gangguan sebesar 1200 Amper.
34
2.6.2.8 Ukuran Kisi-Kisi Penghantar Pentanahan
Persamaan berikut yang dikembangkan oleh I.M. Onderdonk, dapat
digunakan untuk menentukan ukuran dari konduktor tembaga minimum yang
dipakai sebagai kisi-kisi pengetanahan.
+
+−
=1
234log
33
10a
am
T
TT
tIA
(2.14)
Dimana :
A = penampang konduktor (circular mils)I = arus gangguan (= 1200 Ampere)t = lama gangguan ( = 0,75 detik)T
m
= suhu maksimum konduktor yang diijinkan (=1083°C)
Ta = suhu sekeliling tahanan (=30°C)
Dengan menggunakan harga-harga tersebut di ataspada persamaan 9.4 diperoleh
A = 7146 circular mils atau A = 3,62 mm2. luas penampang / diameter untuk
sambungan-sambungan dengan pengelasan atau dengan baut dapat ditentukan
dengan mensubstitusi Tm dalam persamaan 9.4 yaitu :
Untuk pengelasan Tm = 450°C.
Untuk baut Tm = 250°C.
Sehingga :
Untuk pengelasan A = 4,71 mm2
Untuk baut A = 5,90 mm2
2.6.2.9 Tegangan Sentuh yang diijinkan
35
Besar tegangan sentuh yang diijinkan dapat ditentukan dengan persamaan
berikut ini :
( )skks RIE ρ5,1+= (2.15)
Dimana :
kI = arus fibrilasi (=0,134 Amper)
kR = tahanan badan manusia (=1000 Ohm)
sρ = tahanan jenis permukaan batu kerikil basah dimana orang berdiri
= 3000 Ohm-meter (untuk tanah yang dilapisi hamparan batu
koral).
Dengan memasukan harga-harga tersebut diperoleh :
VoltEs 737=
2.6.2.10 Tegangan Mesh atau Tegangan Sentuh Maksimum
Sebenarnya
Tegangan mesh merupakan salah satu bentuk tegangan sentuh. Tegangan
mesh ini didefinisikan sebagai tegangan peralatan yang diketanahkan terhadap
tengah-tengah daerah yang dibentuk konduktor kisi-kisi (center of mesh) selama
gangguan tanah. Tegangan mesh ini menyatakan tegangan tertinggi yang mungkin
timbul sebagai tegangan sentuh yang dapat dijumpai dalam sistem pengetanahan
gardu induk, dan inilah yanag diambil sebagai tegangan untuk disain yang aman.
Tegangan mesh itu secara pendekatan sama dengan Em, dimana ρ tahanan
jenis tanah dalam Ohm-meter dan i arus yang melalui konduktor kisi-kisi.
Nb (2.16)
Dimana :
36
( )( ) 3695,0
222
122
10
9
8
7
6
5
4
3ln
1
16ln
2
1 2
=
+−=+−=×××××+=
n
n
hd
DK m
ππ
(2.17)
Ki : Faktor koreksi untuk ketidakmerataan kerapatan arus, yang di hitung
dengan rumus emperis = 0,65 + 0,172 n ( = 3,402)D : Jarak antara konduktor-konduktor paralel pada kisi-kisi (= 4 m)h : Kedalaman penanaman konduktor (=0,8 m)d : Diameter konduktor kisi-kisi (= 0,016 m)
n : Jumlah konduktor paralel dalam kisi-kisi utama, tidak termasuk
sambungan melintang (= 16)ρ : Tahanan jenis rata-rata tanah (=750 Ohm-meter)I : Besar arus gangguan tanah (= 1200 Amper)L : Panjang konduktor pengetanahan yang ditanam termasuk semua batang
pengetanahan (=1600 m)
Tegangan sentuh maksimum yang timbul dalam rangkaian (mesh) tidak
terletak di pusat kisi-kisi (daerah persegi empat yang dibentuk konduktor kisi-
kisi), dimana tegangan mesh di atas dihitung, tetapi terletak agak di bagian luar
kisi-kisi (grid). Tetapi bila kisi-kisi mempunyai delapan konduktor paralel atau
kurang perbedaan tegangan sentuh maksimum yang ada dan tegangan mesh di
bagian luar kisi-kisi tidak akan melebihi 10%. Oleh karena itu, untuk kisi-kisi
dengan delapan konduktor paralel atau kurang tidak dibutuhkan perhitungan yang
eksak (teliti) bila dipergunakan faktor keselamatan yang sesuai dalam
perbandingan antara tegangan mesh dan tegangan sentuh yang diijinkan.jadi bila
kisi-kisi mempunyai delapan konduktor paralel atau kurang, tegangan mesh dapat
dihitung dengan persamaan 9.6 dan 9.7. Tetapi bila jumlah konduktor paralel
melebihi 8, persamaan 9.7 diatas harus dirubah.
37
Untuk pemakaian sehari-hari sudah cukup menggunkan persamaan 9.6 dan
9.7 diatas, maka :
( ) 7071600/1200750402,33695,0 =×××=mE Volt
Jadi tegangan sentuh sebenarnya 707 Volt lebih kecil dari tegangan sentuh
yang diijinkan 737 Volt, dengan demikian pemilihan jarak antara kisi-kisi serta
pangjang total konduktor sudah memenuhi persyaratan.
2.6.2.11 Tegangan Langkah yang Diijinkan
Tegangan langkah yang diijinkan dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan 9.8 :
( )skkl RIE ρ6+= (2.18)
Dimana :
Ik : arus fibrilasi (=1,134 Amper)Rk : tahanan tubuh manusia (-1000 ohm)ρ
s
: tahanan jenis permukaan tanah (=3000 Ohm-meter)
Maka diperoleh :
2546=lE Volt
2.6.2.12 Tegangan Langkah Sebenarnya
Tegangan langkah sebenarnya adalah perbedaan tegangan yang terdapat
diantara kedua kaki bila manusia berjalan diatas tanah sistem pengetanahan pada
keadaan terjadi gangguan. Tegangan langkah maksimum sebenarnya dapat
dihitung dengan persamaan berikut ini :
38
L
IKKE islm ρ= (2.19)
Dimana :
ρ = tahanan jenis rata-rata tanah (= 750 Ohm-meter)K
i
= 0,65 + 0,172 n = 3,402 (n = 16)
I = arus gangguan tanah maksimum (= 1200 Amper)L = panjang total konduktor yang ditanam, termasuk batang
pengetanahan = 1600 meter
( )
−
+++++
+=DnDDhDh
Ks 11
31
211
211
π (2.20)
Dimana :
h = kedalaman penanaman konduktor penanaman (= 0,8 meter)D = jarak antara konduktor-konduktor paralel (= 5 meter)
Maka :
( ) VoltElm 7681600/1200750402,34014,0 =×××=
Jadi tegangan langkah sebenarnya 768 Volt, sedang tegangan langkah yang
diijinkan 2546 Volt. Dengan demikian pemilihan jarak-jarak kisi-kisi serta
panjang total konduktor sudah memenuhi persyaratan
Hasil-hasil perhitungan tegangan-tegangan mesh dan tegangan langkah
untuk gardu induk tersebut dikumpulkan dalam Tabel 9.1.
No Spesifikasi Satuan Harga
1. tahanan jenis tanah (ρ ) Ohm-meter 7502. jumlah konduktor paralel dalam kisi-kisi
utama (n)
- 16
39
3. koefisien (Km) - 0,36954. Ki = 0,65 + 0,172 n - 3,4025. panjang koduktor pengetanahan yang
ditanam (L)
meter 1600
6. koefisien (Ks) - 0,40147. tegangan sentuh yang diijinkan (Es) Volt 7378. tegangan langkah diijinkan (El) Volt 25469. tegangan mesh (Em) Volt 70710
.
tegangan langkah sebenarnya (Elm) Volt 768
Tabel 2.5 Perhitungan tegangan sentuh dan tegangan langkah
Dari Tabel 2.5 dapat dilihat, bahwa dengan disain pengetanahan tersebut
telah diperoleh tegangan mesh Em yang lebih kecil dari tegangan sentuh Es dan
tegangan langkah Em lebih kecil dari tegangan langkahb yang diijinkan El. Dengan
demikian disain pengetanahan yang dilakukan telah memenuhi persyaratan.
Bila seandainya estimasi yang diambil menghasilkan panjang konduktor
yang terlalu kecil, maka perencanaan harus diulang lagi dengan jarak kisi-kisi
yang lebih kecil. Sama halnya, bila estimasi yang diambil menghasilkan panjang
konduktor yang terlalu besar, maka perencanaan harus diulang dengan jarak-jarak
kisi-kisi yang lebih besar supaya lebih ekonomis. Dalam kedua hal di atas harga-
harga mK , sK dan iK harus dihitung kembali. Jadi perencanaan
pengetanahan ini pada hakekatnya adalah proses iterasi, dengan demikian sangat
baik bila menggunakan komputer.
Selanjutnya dapat dihitung tahanan ekivalen sistem pengetanhan
switchyard tersebut dari persamaan berikut :
LrR
ρρ +×
=40
Dimana :
40
r = Jari-jari ekivalen dari luas switchyard (daerah pengetanahan) dalam
meter.
Jadi :
50752 ×=rπ , atau 55,34=r meter
Maka :
9,51600
750
55,344
7500 =+
×=R Ohm.
Gambar 2.10 Sistem pengetanahan gardu induk
Jumlah konduktor paralel pada kisi-kisi utama = 16
Panjang konduktor kisi-kisi utama = 16 × 50 = 800 meter
Panjang konduktor kisi-kisi melintang = 6 × 75 = 450 meter
Lain-lain = 110 meter
Panjang batang-batang pengetanahan = 68 × 3,5 = 238 meter
41
Panjang total konduktor = L = 1600 meter
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Metoda Percobaan
42
Percobaan dilakukan dengan cara melakukan perhitungan terhadap data
resisitivitas tanah yang telah diberikan perlakuan fisik berupa penambahan air,
garam dan arang yang bertujuan untuk mencari nilai resistivitas yang rendah dari
tanah tersebut.
Perhitungan dilakukan dengan memakai program bantu berupa program
sistem pentanahan gardu induk yang menggunakan software ETAP PowerStation
4.0.0.
Perhitungan yang dilakukan oleh program ini antara lain perhitungan
tahanan pentanahan grid, faktor reduksi permukaan, tegangan sentuh toleransi,
tegangan langkah toleransi, tegangan mesh, tegangan langkah sebenarnya dan
panjang minimum penghantar.
3.2 Perhitungan Sistem Pentanahan Gardu Induk Menurut IEEE 80 2000
IEEE 80 2000 melakukan pembahasan mengenai panduan untuk
keamanan pada gardu induk arus bolak balik.. Panduan ini terkonsentrasi pada
gardu induk arus bolak balik baik yang konvensianol maupun berisolasi gas.
Termasuk didalamnya transmisi, distribusi, maupun gardu induk pembangkitan
listrik.
Perhitungan yang dilakukan untuk mendapatkan system pentanahan gardu
induk yang baik meliputi beberapa perhitungan. Diantaranya perhitungan luas
penampang konduktor pentanahan, perhitungan tahanan pentanahan sistem grid,
perhitungan tegangan sentuh dan tegangan langkah toleransi, perhitungan
tegangan mesh dan tegangan langkah sebanarnya, dan perhitungan panjang
minimum penghantar.
43
Perhitungan luas penampang konduktor pentanahan dilakukan dengan
menggunakan persamaan
TaKo
TmKo
rrts
ExpTCAPA
++×
××−
=ln
.
4.
lg
ρα (IEEE 80 2000, hal 43)
Dimana :
A adalah luas penampang konduktor pentanahan
Ig adalah arus gangguan maksimum
TCAP adalah faktor kapasitansi panas konduktor
α.r adalah koefisien panas resistivitas
ρr adalah resistivitas konduktor pentanahan
ts adalah lamanya arus gangguan
Ko adalah Konstanta (1/ α.R)
Tm adalah Temperature maksimum konduktor
Ta adalah Temperatur sekitar
Perhitungan tahanan pentanahan sistem grid pada daerah gardu induk
menggunakan persamaan
+++×=
AhALRg
/201
11
20
11ρ (IEEE 80 2000, hal. 65)
Dimana:
44
Rg adalah tahanan pentanahan sistem grid
ρ adalah resisitivitas tanah
h adalah kedalaman pemasangan konduktor
A adalah luas lokasi grid
L adalah total panjang pentanahan
Perhitungan faktor reduksi permukaan gardu induk dapat dilakukan
dengan menggunakan persamaan
09,0h2
109,0
1Cs
ss +
ρρ−
−= (IEEE 80 2000, hal 23)
Dimana ρ adalah resistifitas tanah
ρs adalah resistifitas permukaan gardu
hs adalah ketebalan material permukaan
Perhitungan ground potential rise dapat dilakukan dengan menggunakan
persamaan
GPR= IG.Rg (IEEE 80 2000, hal 133)Dimana IG adalah arus grid maksimum
Rg adalah tahanan grid
Perhitungan tegangan sentuh toleransi dapat dilakukan dengan
menggunakan persamaan
45
Vt (70) = ( 1000 + 1,5 Cs (hs,K) X ρs ) X 0,157 / √ts (IEEE 80 2000 hal.
27)
Dimana:
Vt(70) adalah tegangan sentuh toleransi berat manusia minimal 70 kg
Cs adalah faktor reduksi permukaantanah gardu induk
ρs adalah resistivitas lapisan permukaan gardu
ts adalah lamanya arus shock
Perhitungan tegangan langkah toleransi dapat dilakukan dengan
menggunakan persamaan
VL (70) = ( 1000 + 6 Cs(hs, K) X ρs) X 0,157 / √ts (IEEE 80 2000, hal.
27)
Perhitungan tegangan mesh dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan
LrLk
IgtKiKmVm
15,1+×××= ρ
(IEEE 80 – 2000, hal 91)
Dimana
( )( )
−π+
−++
π=
1n2
3ln
Kh
Kii
D4
h
Dd8
h2D
hd16
Dln
2
1Km
22
(IEEE 80-2000,hal 93)
Kii = 1, untuk grid dengan ground rod sepanjang garis keliling , atau
untuk grid dengan groung rod pada sudut grid praktis sepanjang garis
sekeliling yang melalui daerah grid
46
Kh = √1+h/ho (IEEE 80-2000,hal 93)
ho adalah kedalaman referensi rod
h adalah kedalaman konduktor rod
n adalah jumlah paralel konduktor grid
D = 1/n adalah jarak rata-rata antara paralel konduktor
d adalah diameter dari konduktor grid
LK adalah panjang konduktor pentanahan
Lr adalah total panjang rod
Ki = 0,656 + 0,172 x n (IEEE 80 – 2000, hal 94)
Perhitungan tegangan langkah sebenarnya dapat dilakukan dengan menggunakan
persamaan
LrLL
LrLc
IgtKiKsVLs
yx
+++
×××=
2222.155.1
ρ
(IEEE 80 – 2000, hal 91)
Dimana :
( )( )
−
+−++=12
8ln
48
2
16ln
2
1 22
nKh
Kii
d
h
Dd
hD
hd
DKs
ππ (IEEE 80 – 2000,
hal 93)
Dan n, h dan D adalah sama dengan poin sebelumnya
Perhitungan panjang minimum penghantar dapat dilakukan dengan
menggunakan persamaan
sCs253,0157
tsIgtKiKmL
ρ×+××ρ××=
47
Dimana :
L adalah panjang minimum penghantar
ρ adalah resistivitas tanah
ρs adalah resistivitas lapisan permukaan
Cs adalah faktor redaksi permukaan gardu
ts adalah lamanya arus shock
Igt adalah arus gangguan tanah
3.3 Data-Data Perhitungan
Dalam melakukan perhitungan pada penelitian ini dibutuhkan data data
lapangan. Data ini didapatkan dalam dalam kuliah kerja praktek dilokasi gardu
induk Tanjung Sengkuang PT PLN Batam. Berikut data-data yang dibutuhkan
dalam perhitungan ini.
- Resistivitas lapisan permukaan tanah (ρs) : 5000 Ω-m (berdasarkan harga
resistivitas kerikil sungai)
Jarak antara konduktor 10 X 10 meter
Material Yang Digunakan
Luas penampang konduktor 185 mm2 (diameter 0,0176 m)
Panjang konduktor 2525 m (belum termasuk yang ke peralatan)
Jumlah rod 20 batang
Panjang rod 3 m
Total panjang rod 60 m (diameter 0,019)
Total panjang pentanahan : L=2585 m
Luas penampang konduktor minimum yang digunakan
48
Arus gangguan maksimum Ig 20000 ampere
Faktor kapasitansi panas konduktor TCAP 3,422 J/cm3/0C
Koefisien panas resistivitas α.R 0,00381 0C
Temperature maksimum konduktor Tm 52 0C
Temperatur sekitar Ta 40 0C
Konstanta (1/ α.R) Ko 242
Resistivitas konduktor pentanahan ρr 1,7774 μ Ω/cm
Lamanya arus gangguan ts 0,5 detik
Temperature referensi Tr 20 0C
40242
542242ln
7774,100381,05,0
4442,3
20000
++×
××−×
=Exp
A
Diperoleh luas penampang minimum A = 62.2154 mm2
Konduktor yang digunakan harus lebih besar dari harga minimum diatas (poin
5.1) dan juga dengan mempertimbangkan kekuatan mekanis dan perkembangan
yang akan datang, maka:
- Dipilih luas penampang A = 185 mm2
- Diameter d = 0.01755 meter
Kedalaman pemasangan konduktor h 0,75 meter
Luas lokasi grid A 14798 meter2
A = Laa X Lbb
Total panjang pentanahan L 2585 meter
49
L = Lk + Lr
Panjang grid La = 100 meter
Lebar grid Lb = 80 meter
Jumlah parallel Na = 9
Nb = 11
Jarak antara parallel Da = 10 meter
Db = 10 meter
Jumlah rod Nr = 20 batang
Panjang rod hr = 3 meter
Total panjang rod Lr = 60 meter
Panjang konduktor pentanahan
Lk = (NaXLb + NbXLa) + 4(La1 + La2) + Laa + 2Lbb + 5Lbl + Lr + ke
pagar
= 2525 meter (belum termasuk ke peralatan)
Dengan asumsi arus gangguan tanah yang lewat ke dalam overhead earth wire
adalah 50%, maka :
Igt = 20000 X ( 1 – 0,5 ) = 10000 ampere
( )( )
−π+
−++
π=
1n2
3ln
Kh
Kii
D4
h
Dd8
h2D
hd16
Dln
2
1Km
22
Kii = 1, untuk grid dengan ground rod sepanjang garis keliling ,
atau untuk grid dengan groung rod pada sudut grid praktis
sepanjang garis sekeliling yang melalui daerah grid
50
Kh = √1+h/ho 1,3229
ho = kedalaman referensi rod 1 meter
h = kedalaman konduktor rod 0,75 meter
n = jumlah paralel konduktor grid 11
D = 1/n : jarak rata-rata antara paralel konduktor 10 meter
d = diameter dari konduktor grid 0,01755 meter
LK = panjang konduktor pentanahan 2525 meter
Lr = total panjang rod 60 meter
( )( )
−×+
×
−××
×++×××
=111214,3
3ln
3229,1
1
01755,04
75,0
01755,0108
75,0210
01755,075,016
10ln
14,32
1Km
22
Km = 0,7528
Dan
Ki = 0,656 + 0,172 x n
Ki = 2,549
( )
−+
++
π= −2n5,01
D
1
hD
1
h2
11Ks
Dan n, h dan D adalah sama dengan poin 5.5.1
Ki = 2,549
( )
−+
++
×= −2115,01
75,0
1
75,010
1
75,02
1
14,3
1Ks
Ks = 0,2736
3.4 SISTEM PENELITIAN
Penelitian dilakukan dengan menggunakan software ETAP PowerStation
4.0.0
51
BAB IV
HASIL DAN ANALISA
Dari data perubahan resistivitas tanah terhadap penambahan air garam dan
arang, maka dilakukan perhitungan-perhitungan berupa tahanan pentanahan
sistem grid, faktor reduksi permukaan gardu induk, tegangan sentuh toleransi,
tegangan langkah toleransi, tegangan mesh, dan tegangan langkah sebenarnya.
Berikut adalah data perlakuaan fisik terhadap tanah kering dan perubahan nilai
resistivitas dari tanah tersebut.
52
Konsentrat tanah Tahanan jenis tanah (Ohm – cm)Tanah kering 1000Tanah kering + 2,5% air 780Tanah kering + 5% air 544Tanah kering + 7,5% air 360Tanah kering + 10% air 352Tanah kering + 12,5 % air 208Tanah kering + 15% air 124Tanah kering + 2,5% arang 1000Tanah kering + 5% arang 1000Tanah kering + 7,5% arang 980Tanah kering + 10% arang 1000Tanah kering + 12,5% arang 1000Tanah kering + 15% arang 1000Tanah kering + 2,5% garam + 5% air 90Tanah kering + 5% garam + 5% air 19Tanah kering + 7,5% garam + 5% air 11Tanah kering + 10% garam + 5% air 8Tanah kering + 12,5% garam + 5% air 4Tanah kering + 15% garam + 5% air 3
Tabel 4.1 konsentrat tanah dan tahanan jenis tanah
53
Gambar 4.1 Grafik Tahanan Jenis Tanah VS Kondisi Fisik Tanah
4.1 Hasil
4.1.1 Resistansi Tanah
Konsentrat tanah Rg (Ω)Tanah kering 5.696
Tanah + 2,5% air 4.443Tanah + 5% air 3.099
Tanah + 7,5% air 2.051Tanah + 10% air 2.005Tanah + 12, % air 1.185Tanah + 15% air 0.706
Tanah + 2,5% arang 5.696Tanah + 5% arang 5.696
Tanah + 7,5% arang 5.583Tanah + 10% arang 5.696
Tanah + 12,5% arang 5.696Tanah + 15% arang 5.696
Tanah + 2,5% garam + 5% air 0.513Tanah + 5% garam + 5% air 0.108
Tanah + 7,5% garam + 5% air 0.063Tanah + 10% garam + 5% air 0.046
Tanah + 12,5% garam + 5% air 0.023Tanah + 15% garam + 5% air 0.017
Tabel 4.2 Tahanan Tanah
4.1.2 Faktor Reduksi Permukaan
Konsentrat tanah CsTanah kering 0.751724138
Tanah + 2,5% air 0.738068966Tanah + 5% air 0.72342069
Tanah + 7,5% air 0.712Tanah + 10% air 0.711503448Tanah + 12, % air 0.702565517
54
Tanah + 15% air 0.697351724Tanah + 2,5% arang 0.751724138Tanah + 5% arang 0.751724138
Tanah + 7,5% arang 0.750482759Tanah + 10% arang 0.751724138
Tanah + 12,5% arang 0.751724138Tanah + 15% arang 0.751724138
Tanah + 2,5% garam + 5% air 0.695241379Tanah + 5% garam + 5% air 0.690834483
Tanah + 7,5% garam + 5% air 0.690337931Tanah + 10% garam + 5% air 0.690151724
Tanah + 12,5% garam + 5% air 0.689903448Tanah + 15% garam + 5% air 0.689841379
Tabel 4.3 Faktor reduksi permukaan gardu induk
4.1.3 Tegangan Sentuh Toleransi
Konsentrat tanah Vt(V)Tanah kering 1473.829979
Tanah + 2,5% air 1451.090888Tanah + 5% air 1426.698045
Tanah + 7,5% air 1407.679896Tanah + 10% air 1406.85302Tanah + 12, % air 1391.969251Tanah + 15% air 1383.287053
Tanah + 2,5% arang 1473.829979Tanah + 5% arang 1473.829979
Tanah + 7,5% arang 1471.762789Tanah + 10% arang 1473.829979
Tanah + 12,5% arang 1473.829979Tanah + 15% arang 1473.829979
Tanah + 2,5% garam + 5% air 1379.772829Tanah + 5% garam + 5% air 1372.434305
Tanah + 7,5% garam + 5% air 1371.607428Tanah + 10% garam + 5% air 1371.29735
Tanah + 12,5% garam + 5% air 1370.883911Tanah + 15% garam + 5% air 1370.780552
Tabel 4.4 Tegangan sentuh toleransi
55
4.1.4 Tegangan Langkah Toleransi
Konsentrat tanah Vl(V)Tanah kering 5229.225328
Tanah + 2,5% air 5138.268963Tanah + 5% air 5040.697591
Tanah + 7,5% air 4964.624995Tanah + 10% air 4961.317491Tanah + 12, % air 4901.782416Tanah + 15% air 4867.053622
Tanah + 2,5% arang 5229.225328Tanah + 5% arang 5229.225328
Tanah + 7,5% arang 5220.95657Tanah + 10% arang 5229.225328
Tanah + 12,5% arang 5229.225328Tanah + 15% arang 5229.225328
Tanah + 2,5% garam + 5% air 4852.99673Tanah + 5% garam + 5% air 4823.64263
Tanah + 7,5% garam + 5% air 4820.335126Tanah + 10% garam + 5% air 4819.094812
Tanah + 12,5% garam + 5% air 4817.441058Tanah + 15% garam + 5% air 4817.02762
Tabel 4.5 Tegangan langkah toleransi
4.1.5 Tegangan Mesh
Konsentrat tanah VmTanah kering 1778.5
Tanah + 2,5% air 1387.2Tanah + 5% air 967.5
Tanah + 7,5% air 640.3Tanah + 10% air 626Tanah + 12, % air 369.9Tanah + 15% air 220.5
Tanah + 2,5% arang 1778.5Tanah + 5% arang 1778.5
Tanah + 7,5% arang 1742.9Tanah + 10% arang 1778.5
56
Tanah + 12,5% arang 1778.5Tanah + 15% arang 1778.5
Tanah + 2,5% garam + 5% air 160.1Tanah + 5% garam + 5% air 33.8
Tanah + 7,5% garam + 5% air 19.6Tanah + 10% garam + 5% air 14.2
Tanah + 12,5% garam + 5% air 7.1Tanah + 15% garam + 5% air 5.3
Tabel 4.6 Tegangan mesh
4.1.6 Tegangan Langkah Sebenarnya
Konsentrat tanah Vls (V)Tanah kering 835.8
Tanah + 2,5% air 651.9Tanah + 5% air 454.7
Tanah + 7,5% air 300.9Tanah + 10% air 294.2Tanah + 12, % air 173.9Tanah + 15% air 103.6
Tanah + 2,5% arang 835.8Tanah + 5% arang 835.8
Tanah + 7,5% arang 819.1Tanah + 10% arang 835.8
Tanah + 12,5% arang 835.8Tanah + 15% arang 835.8
Tanah + 2,5% garam + 5% air 75.2Tanah + 5% garam + 5% air 15.9
Tanah + 7,5% garam + 5% air 9.2Tanah + 10% garam + 5% air 6.7
Tanah + 12,5% garam + 5% air 3.3Tanah + 15% garam + 5% air 2.5
Tabel 4.7 Tegangan langkah sebenarnya
4.1.7 Ground Potential Rise
Konsentrat tanah GPR(V)
Tanah kering 11423.1
Tanah + 2,5% air 8910
Tanah + 5% air 6214.2
57
Tanah + 7,5% air 4112.3
Tanah + 10% air 4020.9
Tanah + 12, % air 2376
Tanah + 15% air 1416.5
Tanah + 2,5% arang 11423.1
Tanah + 5% arang 11423.1
Tanah + 7,5% arang 11194.7
Tanah + 10% arang 11423.1
Tanah + 12,5% arang 11423.1
Tanah + 15% arang 11423.1
Tanah + 2,5% garam + 5% air 1028.1
Tanah + 5% garam + 5% air 217
Tanah + 7,5% garam + 5% air 125.7
Tanah + 10% garam + 5% air 91.4
Tanah + 12,5% garam + 5% air 45.7
Tanah + 15% garam + 5% air 34.3
4.2 Analisa
4.2.1 Perubahan Resistivitas Tanah Terhadap Perlakuan Fisik Tanah
Dari tabel dapat dilihat bahwa nilai resistifitas tanah pada saat tanah dalam
kondisi kering adalah 1000 Ω-m. Penambahan volume air 2,5%-15% kedalam
fisik tanah kering dapat mempengaruhi perubahan nilai resistivitas tanah tersebut.
Semakin banyak volume air yang ditambahkan kedalam tanah maka nilai
resistivitas tanah akan semakin menurun. Penambahan arang 2,5%-15% pada
tanah kering tidak memeperlihatkan perubahan yang berarti pada nilai resistivitas
tanah tersebut. Penambahan garam beserta air pada tanaha kering memperlihatkan
perubahan yang sangat besar pada nilai dari resistifitas tanah, dimana nilai
resistivitas tanah jauh menurun dibandingkan dengan nilai resistivitas tanah
kering.
58
Hal ini dapat terjadi karena air merupakan zat elektrolit yaitu cairan yang
dapat menghantarkan arus listrik yang baik dimana air memiliki unsur kimia H2O.
Garam memiliki unsur kimia NaCl, larutan garam juga merupakan larutan
elektrolit dimana ion-ion yang menyusun unsur-unsur ini sangat baik dalam
mengalirkan arus listrik. Dengan penambahan air dan garam pada fisik tanah,
akan menyebabkan kemampuan tanah dalam menghantarkan arus listrik akan
menjadi lebih baik dan seterusnya akan menurunkan nilai resistifitas tanah itu
sendiri. Selain air, garam dan arang, ada beberapa bahan yang dapat digunakan
untuk menurunkan nilai tahanan jenis tanah yaitu bentonite, marcionite, gypsum.
Penggunaan langsung sodium klorida, magnesium, tembaga sulfat, untuk
meningkatkan konduktifitas tanah secara langsung.
4.2.2 Tahanan Tanah
Pada sistem pentanahan grid ada beberapa faktor yang mempengaruhi nilai
tahanan tanah itu sendiri yaitu luas area lokasi grid, kedalaman pemasangan
konduktor dan nilai dari resistivitas tanah. Dari persamaan tahanan pentanahan
sistem grid dapat dilihat bahwa nilai resistivitas tanah sebanding dengan nilai
tahanan pentanahan sisitem grid. Dari hasil perhitungan dapat dilihat hal tersebut.
Perubahan resistivitas tanah menyebabkan perubahan nilai tahanan pentanahan
sistem grid. Semakin kecil nilai resistivitas tanah maka semakin turun nilai
tahanan pentanahan sistem grid. Dalam hal ini, nilai yang baik dari suatu tahanan
pentanahan sistem grid adalah kecil dari 1 Ω (Rg<1Ω).
Dari hasil pengukuran dapat dilihat bahwa kondisi tanah dengan tahanan
jenis 124 Ω-m, 90 Ω-m, 19 Ω-m, 11 Ω-m, 8 Ω-m, 4 Ω-m, dan 3 Ω-m
59
menghasikan tahanan pentanahan sistem grid dibawah 1 Ω yaitu 0.706 Ω, 0.513
Ω, 0.108 Ω, 0.063 Ω, 0.046 Ω, 0.023 Ω, 0.017 Ω. Jadi untuk mendapatkan tahanan
pentanahan sistem grid yang baik maka diperlukan perlakuan fisik pada tanah
dengan menambahkan air sebanyak 12,5% atau lebih, dan juga bisa dengan
menambahkan larutan garam dengan kombinasi 2,5% garam + 5% air, 5% garam
+ 5% air, 7,5% garam + 5% air, 10% garam + 5% air, 12,5% garam + 5% air, dan
15% garam + 5% air. Akan tetapi pada penambahan larutan garam 7,5% - 15%
selisih penurunan tidak terlalu besar.
Gambar 4.2 Grafik Tahanan Jenis Tanah
4.2.3 Faktor Reduksi Permukaan Gardu Induk
Faktor reduksi permukaan akan dipengaruhi oleh nilai resistivitas tanah,
resistivitas lapisan permukaan gardu dan ketebalan permukaan material gardu.
Semakin kecil nilai resistivitas tanah maka semakin kecil pula faktor reduksi
permukaan gardu. Nilai faktor reduksi permukaaan tanah ini akan mempengaruhi
besarnya nilai tegangan langkah toleransi dan tegangan sentuh toleransi. Semakin
60
besar nilai faktor reduksi permukaan gardu, maka semakin besar pula nilai
tegangan langkah toleransi dan tegangan sentuh toleransi yang akan didapatkan.
Dapat pula kita artikan bahwa semakin besar nilai resistifitas lapisan permukaan
gardu maka semakin kecil pula tegangan langkah toleransi dan tegengan sentuh
toleransi yang akan didapatkan. Dalam penilitian ini, material yang digunakan
untuk lapisan permukaan gardu induk adalah kerikil dengan nilai tahanan jenisnya
5000 Ω-m. Pemberian material kerikil setebal 10 cm selain berfungsi untuk
meningkatkan faktor reduksi permukaan gardu, juga sebagai penyerap air hujan
sehingga ketika hujan turun akan membentu mempercepat penyerapan air
kedalam tanah, mempertahankan persentase kelembapan tanah.
Dari hasil perhitungan dapat kita lihat bahwa semakin banyak persentase
air dan air + garam, maka semakin kecil nilai faktor reduksi permukaan gardu
induk.
Gambar 4.3 Grafik Faktor Reduksi Permukaan
61
4.2.4 Tegangan Sentuh Toleransi
Nilai tegangan sentuh toleransi akan dipengaruhi oleh beberapa faktor
diantaranya faktor reduksi permukaan gardu, nilai resistivitas lapisan permukaan
gardu, dan lamanya arus shock terjadi. Semakin besar faktor reduksi permukaan
gardu dan nilai resisivitas lapisan permukaan, maka akan semakin besar tegangan
sentuh toleransi. Dari hasil perhitungan yang dilakukan, didapatkan bahwa
semakin kecil faktor reduksi permukaan gardu maka semakin kecil pula nilai
tegangan sentuh toleransi yang didapatkan.
Gambar 4.4 Grafik Tegangan Sentuh Toleransi
4.2.5 Tegangan Langkah Toleransi
Tegangan langkah toleransi juga dipengaruhi oleh faktor yang sama
dengan yang mempengaruhi tegangan sentuh toleransi, yaitu faktor reduksi
permukaan gardu, nilai resistifitas lapisan permukaan gardu dan lamanya arus
shock. Namun yang membedakan adalah konstanta pengali dari faktor reduksi
62
permukaan. Sama halnya dengan tegangan sentuh toleransi, tegangan langkah
toleransi akan menurun ketika faktor reduksi permukaan gardu juga menurun.
Gambar 4.5 Grafik Tegangan Langkah Toleransi
4.2.6 Tegangan Mesh
Tegangan mesh adalah tegangan sentuh masimum dengan adanya mesh
pada grounding grid. Beberapa faktor yang mempengaruhi nilai tegangan mesh
diantaranya adalah resistivitas tanah (ρ), faktor geomitri (Km), faktor korektif
(Ki), dan rata-rata arus perunit dari panjang efektif konduktor sistem pentanahan
yeng terkubur (Ig/Lm). Maka semakin besar resistivitas tanah, akan semakin besar
pula nilai tegangan mesh yang didapatkan. Untuk mendapatkan sistem pentanahan
gardu induk dengan grid yang baik maka diperlukan syarat tegangan mesh harus
lebih kecil dari teganagn sentuh toleransi (Vm≤Vt). Maka dari hasil perhitungan
didapatkan syarat tersebut akan terpenuhi pada saat nilai resistivitas tanah sebesar
124, 90, 19,11 8,4,3 ohm-m.
63
Gambar 4.6 Grafik Tegangan Mesh
4.2.7 Tegangan Langkah Sebenarnya
Faktor yang mempengaruhi nilai tegnagn langkah sebenarnya adalah
resistivitas tanah (ρ), faktor geomitri (Ks), faktor korektif (Ki), dan rata-rata arus
perunit dari panjang efektif konduktor sistem pentanahan yeng terkubur (Ig/Ls).
Sama halnya dengan tegangan mesh. Semakin besar resisitivitas tanah maka
semakin besar pula tegangan langkah sebenarnya yang didapatkan. Syarat untuk
mendapatkan sistem pentanahan gardu induk yang baik adalah tegangan langkah
sebenarnya harus lebih kecil dari tegangan langkah toleransi (Vls≤Vl). Dari hasil
perhitungan didapatkan syarat yang terpenuhi adalah pada saat nilai resistivitas
tanah sebesar 124, 90, 19,11 8,4,3 ohm-m.
64
Gambar 4.7 Grafik Tegangan Langkah Sebenarnya
4.2.8 Efek Perubahan Tahanan Jenis Tanah
4.2.8.1 Resistivitas Tanah 1000 Ω-m
Pada tahanan jenis tanah 1000 Ω-m, dan atau penambahan arang 2,5%,
5%, 10%, 12,5% dan 15% kita dapatkan resistansi tanah sebesar 5,696 Ω, yang
mana standar kelayakan resistansi tanah untuk gardu (Rg) dibawah 1 Ω. Dan
pembangkitan tegangan tanah (GPR) sebesar 11423.1 V. Tegangan sentuh
toleransi (VT) 1,473.8 V, tegangan mesh (VM) 1778,5 V. Dari hasil perhitungan
juga didapatkan tegangan langkah toleransi (VL) 5229.2 V, dan tegangan
langkah sebenarnya (VLS) 835,8 V, jadi nilai ini sudah memenuhi syarat
VLs<VL. Jika dibandingkankan antara GPR dengan tegangan sentuh toleransi
maka didapatkan GPR>VT, dan jika kita bandingkan antara tegangan mesh
dengan tegangan sentuh toleransi maka akan didapatkan VM>VT.
Dari hasil perbandingan diatas, maka resistivitas tanah 1000 Ω-m sangat
tidak baik karena nilai tegangan mesh melebihi dari nilai tegangan sentuh
65
toleransi, dan nilai tegangan GPR juga lebih besar dari nilai tegangan sentuh
toleransi. Nilai GPR yang sangat tinggi ini dapat sangat membahayakan bagi
keselamatan baik manusia, alat-alat elektronik, maupun instalasi komunikasi dan
radio yang berada dekat dengan daerah gardu induk tersebut.
4.2.8.2 Resistivitas Tanah 780 Ω-m
Untuk penambahan volume air 2,5% pada tanah kering didapatkan
resistifitas tanah 780 Ω-m, nilai resistansi tanah sebesar (Rg) 4,443 Ω. Dengan
nilai tersebut masih terlalu tinggi dari syarat maksimal resistansi tanah gardu
induk. Nilai tegangan GPR yang didapatkan sebesar 8910 V. Untuk nilai tegangan
sentuh toleransi (VT) didapatkan 1451,1 V, dan tegangan mesh (VM) 1387,2 V.
Untuk nilai tegangan langkah toleransi didapatkan (VL) 5138,3 V, dan tegangan
langkah sebenarnya (VLs) 651,9 V. Dari hasil tersebut maka didapatkan nilai
pembangkitan tegangan tanah lebih besar dari tegangan sentuh toleransi
(GPR>VT), tegangan langkah toleransi lebih besar dari tegangan langkah
sebenarnya (VL>VLs), dan tegangan sentuh toleransi lebih besar dari tegangan
mesh (VT>VM). Dengan demikian maka sistem ini belum memenuhi syarat,
karena nilai GPR masih besar dari nilai VT.
4.2.8.3 Resistivitas Tanah 544 Ω-m
Pada penambahan air sebanyak 5% pada tanah kering didapatkan nilai
resisitifitas tanah menjadi 544 Ω-m. Dengan nilai resisitivitas tersebut, nilai
resistansi tanah berubah menjadi 3,099 Ω. Nilai GPR didapatkan 6214.2 V, nilai
tegangan sentuh toleransi (VT) 1426,7 V, nilai tegangan mesh (VM) 967,5 V,
66
nilai tegangan langkah toleransi (VL) 5040,7 V, dan nilai tegangan langkah
sebenarnya (VLS) 454,7 V.
Dari hasil tersebut terlihat bahwa tegangan GPR lebih besar dari tegangan
sentuh toleransi (GPR>VT). Tegangan langkah sebenarnya lebih kecil dari
tegangan langkah toleransi (VLs<VL), dan tegangan mesh lebih kecil dari
tegnagn sentuh toleransi (VM<VT). Karena nilai GPR yang masih tinggi dari nilai
tegangan sentuh toleransi, maka nilai resistivitas tanah ini masih sangat tinggi dan
belum aman untuk keselamatan dalam garduinduk maupun luar gardu induk.
4.2.8.4 Resistivitas Tanah 360 Ω-m
Pada penambahan air sebanyak 7,5% pada tanah kering didapatkan nilai
resisitifitas tanah menjadi 360 Ω-m. Dengan nilai resisitivitas tersebut, nilai
resistansi tanah berubah menjadi 2,051 Ω. Nilai GPR didapatkan 4112,3 V, nilai
tegangan sentuh toleransi (VT) 1407,7 V, nilai tegangan mesh (VM) 460,3 V,
nilai tegangan langkah toleransi (VL) 4964,6 V, dan nilai tegangan langkah
sebenarnya (VLS) 300,9 V.
Dari perbandingan diatas terlihat bahwa pembangkitan tegangan tanah lebih
besar dari tegangan sentuh toleransi (GPR>VT). Tegangan langkah sebenarnya
lebih kecil dari tegangan langkah toleransi (VLs<VL), dan tegangan mesh lebih
kecil dari tegangan sentuh toleransi (VM<VT). Melihat hasil perbandingan ini,
maka resistivitas tanah 360 Ω-m masih dapat membahayakan keselamatan
peralatan dan makhluk hidup dilingkungan gardu induk tersebut.
67
4.2.8.5 Resistivitas Tanah 352 Ω-m
Pada penambahan air sebanyak 10% pada tanah kering didapatkan nilai
resisitifitas tanah menjadi 352 Ω-m. Dengan nilai resisitivitas tersebut, nilai
resistansi tanah berubah menjadi 2,005 Ω. Nilai GPR didapatkan 4020,9 V, nilai
tegangan sentuh toleransi (VT) 1406,9 V, nilai tegangan mesh (VM) 626,0 V,
nilai tegangan langkah toleransi (VL) 4961,3 V, dan nilai tegangan langkah
sebenarnya (VLS) 294,3 V.
Terlihat bahwa tegangan GPR lebih besar dari tegangan sentuh toleransi
(GPR>VT). Tegangan langkah sebenarnya lebih kecil dari tegangan langkah
toleransi (VLs<VL), dan tegangan mesh lebih kecil dari tegangan sentuh
toleransi (VM<VT). Dari hasil tersebut maka nilai resistivitas 352 Ω-m masih
belum memenuhi syarat keselamatan dalam lingkungan gardu induk dan perlu
penambahan volume air lagi.
4.2.8.6 Resistivitas Tanah 208 Ω-m
Pada penambahan air sebanyak 12,5% pada tanah kering didapatkan nilai
resisitifitas tanah menjadi 208 Ω-m. Dengan nilai resisitivitas tersebut, nilai
resistansi tanah berubah menjadi 1,185 Ω. Nilai GPR didapatkan 2376 V, nilai
tegangan sentuh toleransi (VT) 1392,0 V, nilai tegangan mesh (VM) 369,9 V,
nilai tegangan langkah toleransi (VL) 4901,8 V, dan nilai tegangan langkah
sebenarnya (VLS) 294,3 V.
Dari hasil tersebut terlihat bahwa tegangan GPR lebih besar dari tegangan
sentuh toleransi (GPR>VT). Tegangan langkah sebenarnya lebih kecil dari
tegangan langkah toleransi (VLs<VL), dan tegangan mesh lebih kecil dari
68
tegangn sentuh toleransi (VM<VT). Untuk perbandingan antara VM dan VT serta
VLs VL sudah dapat memenuhi syarat. Namun nilai resistansi yang masih tinggi
dari 1 Ω belum memenuhi syarat dan nilai GPR masih lebih besar dari nilai VT,
sehingga kondisi ini masih berbahaya dan perlu penambahan volume air lagi.
4.2.8.7 Resistivitas Tanah 124 Ω-m
Pada penambahan air sebanyak 15% pada tanah kering didapatkan nilai
resisitifitas tanah menjadi 124 Ω-m. Dengan nilai resisitivitas tersebut, nilai
resistansi tanah berubah menjadi 0,706 Ω. Nilai GPR didapatkan 1416,5 V, nilai
tegangan sentuh toleransi (VT) 1383,3 V, nilai tegangan mesh (VM) 220,5 V,
nilai tegangan langkah toleransi (VL) 4867,1 V, dan nilai tegangan langkah
sebenarnya (VLS) 103,6 V.
Dari hasil tersebut terlihat bahwa tegangan GPR lebih besar dari tegangan
sentuh toleransi (GPR>VT). Tegangan langkah sebenarnya lebih kecil dari
tegangan langkah toleransi (VLs<VL), dan tegangan mesh lebih kecil dari
tegnagn sentuh toleransi (VM<VT).
4.2.8.8 Resistivitas Tanah 980 Ω-m
Pada penambahan arang sebanyak 7,5% pada tanah kering didapatkan nilai
resisitifitas tanah menjadi 980 Ω-m. Dengan nilai resisitivitas tersebut, nilai
resistansi tanah berubah menjadi 5,583 Ω. Nilai GPR didapatkan 11194,7 V, nilai
tegangan sentuh toleransi (VT) 1471,8 V, nilai tegangan mesh (VM) 1742,9 V,
nilai tegangan langkah toleransi (VL) 5221,0 V, dan nilai tegangan langkah
sebenarnya (VLS) 819,1 V.
69
Dari hasil tersebut terlihat bahwa tegangan GPR lebih besar dari tegangan
sentuh toleransi (GPR>VT),. Tegangan langkah sebenarnya lebih kecil dari
tegangan langkah toleransi (VLs<VL), dan tegangan mesh lebih kecil dari
tegnagn sentuh toleransi (VM>VT). Nilai resistansi yang masih tinggi dari 1 Ω
belum memenuhi syarat. Nilai GPR yang sangat besar sangat membahayakan bagi
peralatan dan keselamatan makhluk hidup di sekitar lingkungan gardu induk.
4.2.8.9 Resistivitas Tanah 90 Ω-m
Pada penambahan air sebanyak 5% + 2,5% garam pada tanah kering
didapatkan nilai resisitifitas tanah menjadi 90 Ω-m. Dengan nilai resisitivitas
tersebut, nilai resistansi tanah berubah menjadi 0,513 Ω. Nilai GPR didapatkan
1028,1 V, nilai tegangan sentuh toleransi (VT) 1383,3 V, nilai tegangan mesh
(VM) 220,5 V, nilai tegangan langkah toleransi (VL) 4853,0 V, dan nilai tegangan
langkah sebenarnya (VLS) 75,2 V.
Dari hasil tersebut terlihat bahwa tegangan GPR lebih kecil dari tegangan
sentuh toleransi (GPR<VT). Tegangan langkah sebenarnya lebih kecil dari
tegangan langkah toleransi (VLs<VL), dan tegangan mesh lebih kecil dari
tegnagn sentuh toleransi (VM<VT). Untuk hal ini sudah dapat memenuhi syarat.
Nilai resistansi sudah lebih kecil dari 1 Ω, jadi sudah bisa memenuhi syarat.
4.2.8.10 Resistivitas Tanah 19 Ω-m
Pada penambahan air sebanyak 5% + 5% garam pada tanah kering didapatkan
nilai resisitifitas tanah menjadi 19 Ω-m. Dengan nilai resisitivitas tersebut, nilai
resistansi tanah berubah menjadi 0,108 Ω. Nilai GPR didapatkan 217,0 V, nilai
70
tegangan sentuh toleransi (VT) 1372,4 V, nilai tegangan mesh (VM) 33,8 V, nilai
tegangan langkah toleransi (VL) 4823,6 V, dan nilai tegangan langkah sebenarnya
(VLS) 15,9 V.
Dari hasil tersebut terlihat bahwa tegangan GPR lebih kecil dari tegangan
sentuh toleransi (GPR<VT), sehingga system pentanahan grid ini sudah bisa
dipakai. Tegangan langkah sebenarnya lebih kecil dari tegangan langkah toleransi
(VLs<VL), dan tegangan mesh lebih kecil dari tegnagn sentuh toleransi
(VM<VT). Untuk hal ini sudah dapat memenuhi syarat. Nilai resistansi sudah
lebih kecil dari 1 Ω, jadi sudah bisa memenuhi syarat.
4.2.8.11 Resistivitas Tanah 11 Ω-m
Pada penambahan air sebanyak 5% + 7,5% garam pada tanah kering
didapatkan nilai resisitifitas tanah menjadi 11 Ω-m. Dengan nilai resisitivitas
tersebut, nilai resistansi tanah berubah menjadi 0,063 Ω. Nilai GPR didapatkan
125,7 V, nilai tegangan sentuh toleransi (VT) 1371,6 V, nilai tegangan mesh
(VM) 19,6 V, nilai tegangan langkah toleransi (VL) 4820,3 V, dan nilai tegangan
langkah sebenarnya (VLS) 9,3 V.
Dari hasil tersebut terlihat bahwa tegangan GPR lebih kecil dari tegangan
sentuh toleransi (GPR<VT), sehingga system pentanahan grid ini sudah bisa
dipakai. Tegangan langkah sebenarnya lebih kecil dari tegangan langkah toleransi
(VLs<VL), dan tegangan mesh lebih kecil dari tegnagn sentuh toleransi
(VM<VT). Untuk hal ini sudah dapat memenuhi syarat. Nilai resistansi sudah
lebih kecil dari 1 Ω, jadi sudah bisa memenuhi syarat.
71
4.2.8.12 Resistivitas Tanah 8 Ω-m
Pada penambahan air sebanyak 5% + 10% garam pada tanah kering
didapatkan nilai resisitifitas tanah menjadi 8 Ω-m. Dengan nilai resisitivitas
tersebut, nilai resistansi tanah berubah menjadi 0,046 Ω. Nilai GPR didapatkan
91,4 V, nilai tegangan sentuh toleransi (VT) 1371,3 V, nilai tegangan mesh (VM)
14,2 V, nilai tegangan langkah toleransi (VL) 4819,1V, dan nilai tegangan
langkah sebenarnya (VLS) 6,7 V.
Dari hasil tersebut terlihat bahwa tegangan GPR lebih kecil dari tegangan
sentuh toleransi (GPR<VT), sehingga system pentanahan grid ini sudah bisa
dipakai. Tegangan langkah sebenarnya lebih kecil dari tegangan langkah toleransi
(VLs<VL), dan tegangan mesh lebih kecil dari tegnagn sentuh toleransi
(VM<VT). Untuk hal ini sudah dapat memenuhi syarat. Nilai resistansi sudah
lebih kecil dari 1 Ω, jadi sudah bisa memenuhi syarat.
4.2.8.13 Resistivitas Tanah 4 Ω-m
Pada penambahan air sebanyak 5% + 12,5% garam pada tanah kering
didapatkan nilai resisitifitas tanah menjadi 4 Ω-m. Dengan nilai resisitivitas
tersebut, nilai resistansi tanah berubah menjadi 0,023 Ω. Nilai GPR didapatkan
45,7 V, nilai tegangan sentuh toleransi (VT) 1370,9 V, nilai tegangan mesh (VM)
7,1 V, nilai tegangan langkah toleransi (VL) 4817,4V, dan nilai tegangan langkah
sebenarnya (VLS) 3,3 V.
Dari hasil tersebut terlihat bahwa tegangan GPR lebih kecil dari tegangan
sentuh toleransi (GPR<VT), sehingga system pentanahan grid ini sudah bisa
dipakai. Tegangan langkah sebenarnya lebih kecil dari tegangan langkah toleransi
72
(VLs<VL), dan tegangan mesh lebih kecil dari tegnagn sentuh toleransi
(VM<VT). Untuk hal ini sudah dapat memenuhi syarat. Nilai resistansi sudah
lebih kecil dari 1 Ω, jadi sudah bisa memenuhi syarat.
4.2.8.14 Resistivitas Tanah 3 Ω-m
Pada penambahan air sebanyak 5% + 15% garam pada tanah kering
didapatkan nilai resisitifitas tanah menjadi 3 Ω-m. Dengan nilai resisitivitas
tersebut, nilai resistansi tanah berubah menjadi 0,017 Ω. Nilai GPR didapatkan
34,3 V, nilai tegangan sentuh toleransi (VT) 1370,8 V, nilai tegangan mesh (VM)
5,3 V, nilai tegangan langkah toleransi (VL) 4817,0 V, dan nilai tegangan langkah
sebenarnya (VLS) 2,5 V.
Dari hasil tersebut terlihat bahwa tegangan GPR lebih kecil dari tegangan
sentuh toleransi (GPR<VT), sehingga system pentanahan grid ini sudah bisa
dipakai. Tegangan langkah sebenarnya lebih kecil dari tegangan langkah toleransi
(VLs<VL), dan tegangan mesh lebih kecil dari tegangan sentuh toleransi
(VM<VT). Untuk hal ini sudah dapat memenuhi syarat. Nilai resistansi sudah
lebih kecil dari 1 Ω, jadi sudah bisa memenuhi syarat.
Dari hasil secara keseluruhan maka dapat dikatakan bahwa system grounding
grid yang baik memiliki nilai resistivitas antara 90 Ω-m sampai 0 Ω-m. Hal bisa
terjadi karena persyaratan (GPR<VT), (VLs<VL), (VM<VT), dan Rg<Rmax
dapat terpenuhi. Sementara untuk nilai resistivitas 1000 Ω-m sampai 100 Ω-m
tidak memenuhi syarat tersebut diatas.
73
BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
1. Pada penambahan air sebanyak 2,5% - 15%, terjadi penurunan nilai resisitifitas
tanah yang sangat tajam, yaitu dari 780 Ω-m pada penambahan 2,5% air menjadi
124 Ω-m pada penambahan 15% air. Hal ini dapat terjadi karena air adalah zat
elektrolit yang baik. Sehingga akan berdampak baik kepada kinerja dari
grounding grid pada suatu gardu induk.
2. Pada penambahan arang sebanyak 2,5% - 15%, tidak terlihat adanya perubahan
nilai resistifitas tanah yang sangat mencolok. Terlihat penurunan nilai resistifitas
tanah hanya mencapai 980 Ω-m pada penambahan arang 7,5%. Sehingga dapat
dikatakan zat arang tidak baik dalam perbaikan kondisi kinerja grounding grid.
3. Pada penambahan air 5% dan garam sebanyak 2,5% - 15%, terlihat penurunan
nilai resistifitas tanah yang sangat signifikan, yaitu 90 Ω-m pada penambahan 5%
air + 2,5 % garam sampai menjadi 3 Ω-m pada penambahan 2,5 % air + 15 %
garam. Hal ini dikarenakan air dan garam memiliki ion-ion penghantar yang baik.
4. Didapatkan hasil yang baik untuk kinerja grounding grid pada perlakuan tanah
kering dengan penambahan air 15%, air 5% + garam 2,5%, air 5% + garam 5%,
air 5% + garam 7,5%, air 5% + garam 10%, air 5% + garam 12,5%, dan air 5% +
garam 15%.
74
5.2 Saran
1. Penggunaan jenis tanah yang berbeda bisa didapatkan hasil yang berbeda
2. Penggunaan jenis konduktor dan rod yang difariasikan dapat dilakukan untuk
mendapatkan system ground grid yang lebih baik.
3. Penambahan sodium klorida, magnesium, dan kalsium klorida dapat dilakukan
untuk menambahkan konduktifitas tanah.
4. penggunaan bentonit dapat dilakukan untuk menurunkan nilai resistifitas tanah.
75