SISTEM DISTRIBUSI DAYA LISTRIK “PENTANAHAN”
OLEH : AHMAD (102504014) ABDUL HABI ARIFUDDIN DARMAN M
JURUSAN PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS NEGERI MAKASSAR 2012/2013
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah swt. karena atas berkah dan rahmat-Nya penulis dapat menyelesaikan penyusunan makalah Distribusi Daya Listrik yang berjudul “Pentanahan”. Dalam makalah ini dibahas mengenai Sistem pentanahan pada saluran distribusi. Kami menyadari sepenuhnya bahwa dalam makalah ini masih terdapat kekurangan, untuk itu kritik dan saran yang sifatnya membangun sangat kami harapkan demi kesempurnaan makalah selanjutnya. Semoga makalah ini dapat bermanfaat bagi para pembaca.
Untuk itu kami ucapkan banyak terimakasih.
Makassar, September 2012
Punyusun
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR .....................................................................................................
i
DAFTAR ISI.................................................................................................................... ii BAB I PENDAHULUAN ................................................................................................ 1
BAB II PEMBAHASAN ................................................................................................. 2 A. SISTEM PENTANAHAN .................................................................................. 2 B. TANAH DAN PENGAMANAN ....................................................................... 2 C. SIFAT-SIFAT DARI SEBUAH SISTEM ELEKTRODA TANAH .................. 5 D. TAHANAN JENIS TANAH .............................................................................. 10 E. UKURAN-UKURAN PENGHANTAR TANAH .............................................. 11 F. PERENCANAAN ELEKTRODA PENTANAHAN.......................................... 15 DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................................... 17
BAB I PENDAHULUAN
Sistem pentanahan pada jaringan distribusi digunakan sebagai pengaman langsung terhadap peralatan dan manusia bila terjadinya gangguan tanah atau kebocoran arus akibat kegagalan isolasi dan tegangan lebih pada peralatan jaringan Petir
dapat
menghasilkan
arus
gangguan
dan
distribusi.
juga tegangan lebih dimana
gangguan tersebut dapat dialirkan ke tanah dengan menggunakan sistem pentanahan. Sistem pentanahan adalah suatu tindakan pengamanan dalam jaringan distribusi yang langsung rangkaiannya ditanahkan dengan cara mentanahkan badan peralatan instalasi yang diamankan, sehingga
bila terjadi kegagalan isolasi,
terhambatlah atau bertahannya tegangan sistem karena terputusnya arus oleh alat-alat pengaman tersebut. Secara umum tujuan dari sistem pentanahan dan grounding pengaman adalah sebagai berikut : 1. Mencegah terjadinya perbedaan potensial antara bagian tertentu dari instalasi secara aman. 2. Mengalirkan arus gangguan ke tanah sehingga aman bagi manusia dan peralatan. Mencegah
timbul
menyebabkan tegangan kejut.
bahaya
sentuh
tidak
langsung
yang
BAB I PEMBAHASAN A. SISTEM PENTANAHAN Salah satu faktor kunci dalam setiap usaha pengamanan ( perlindungan ) rangkaian listrik adalah pentahanan. Apabila suatu tindakan pengamanan/perlindungan yang baik akan dilaksanakan, maka harus ada system pentanahan yang dirancanakan dengan benar. Prinsip-prinsip/ standar pentanahan yang biasa digunakan, telah banyak tertulis dalam laporan-laporan berbagai organisasi nasional yang berkaitan [1,2,3,4,9]. Agar sistem pentanahan dapat bekerja secara efektif, harus memenuhi persyaratan sebagai berikut : 1.
Membuat jalur impedansi rendah ketanah untuk pengamanan personil dan peralatan menggunakan rangkaian yang efektif.
2.
Dapat melawan dan menyebarkan gangguan berulang dan arus akibat surja hubung (surge current)
3.
Menggunakan bahan tahan terhadap korosi terhadap berbagai kondisi kimiawi
tanah.
Untuk
meyakinkan
kontiniutas
penampilan sepanjang umur peralatan yang dilindungi. 4.
Menggunakan sistem mekanik yang kuat namun mudah dalam pelayanannya.
Beberapa patokan/standar yang telah disepakati adalah bahwa saluran transmisi substasion harus direncanakan sedemikian rupa, sehingga tahanan pentanahan tidak melebihi 1 Ohm. Dalam sustasion-substasion distribusi, haraga tahanan maksimumyang telah diperbolehkan adalah 5 Ohm. Dalam substansion-substansion (66 kV atau lebih), system kisi tanam untuk suatu substansion akan memberikan tahanan pentanahan yang diinginkan (Std IEEE 80-1976 mengatur masalah pengamanan personil dan tegangan 33 kV atau lebih rendah, biasa digunakan dengan batang pasak. Dari segi besarnya harga tahanan, bahan yang dipakai tidak mengurangi penyebaran akibat surja hubung yang efektif. Bahan pentanahan dimaksud arus-arus gangguan yang lebih tinggi. Pasak-pasak, adalah batang-batang sederhana, sebaliknya dapat memberikan inpedansi surja yang dapat berharga sekitar separohharga tahanan tanahn frekuensi rendahanya. Hal inilah penyebab jatuhnya tahan tanah dalam gradient teganagn yang tinggi pada permukaan pasak sebagai akibat dari sifat-
sifat ini, maka pasak harus ditempatkan didekat atau sekitar bangunan stasion. Pasak-pasak tentu saja dibutuhkan
dalam saluran-saluran teganagan tinggi
(132 kV, 66 kV) di mana tahanan maksimal 15 Ohm masih dapat diterima, dan dalam saluran-saluran distribusi (33-0,4 kV) di mana dipilih tahanan 25 Ohm. Parameter-parameter ini umumnya dapat dipenuhi dengan pemakaian teori-teori dasar pentanahan secara benar. Namum, selalu timbul keadaankeadaan, yang akan menyulitkan dalam memperoleh tahanan pentanahan yang diinginkan. Apabila timbul keadaan demikian dapat digunakan beberapa metode untuk menurungkan harga tahanan pentanahan, antara lain systemsistem batang parallel, system pasak tanam dalam dengan beberapa pasak, dan perlakuan terhadap kondisi kimiawi tanah. Metode-metode laian juga banyak diperkenalkan, yaitu pelat tanam, penghantar tanam, dan beton kerangka baja secara listrik terhubung. Sejenis tanah liat yang dikenal sebagai bentonite, karena kemampuannya menyerap dan menahan air, dapat digunakan untuk mengurangi tahanan tanah didaerah di mana tahanan tanah tinggi, dalam orde 300 Ohm-meter atau lebih
B. TANAH DAN PENGAMANAN Bagian dari sistem hubungan pentanahan, yaitu tanah itu sendiri . bidang kontak antara tanah dengan pasak harus cukup luas, sehingga harga tahanan tanah dengan pasak harus cukup luas, sehingga harga tahanan dari jalur arus masuk atau melewati tanah masih dalam batas – batas yang diperkenankan untuk penggunaan –penggunaan tertentu. Tahanan dari jalur tanah ini relative rendah dan kurang lebih tetap sepanjang tahun . untuk memahami mengapa tahanan tanah harus rendah , digunakan hokum Ohm, yaitu E = I x R (dimana E adalah tegangan dalam volt, I adalah arus dalam ampere, dan R adalah tahanan dalam ohm ). Sebagai contoh, ada tegangan sumber 415 volt (240 volt terhadap tanah) dengan tahanan 4ohm. Sekarang, misalkan ada gangguan/kekeliriuan, sehingga kabel dari sumber yang mencatu motor listrik menyentuh badan motor. Hal ini berarti kabel tersebut menghubungkan ke system pentanahan yang mempunyai tahanan 20 ohm ke tanah (lihat Gambar 1.1 ). Menurut hokum Ohm, aka nada arus sebesar 10 Ampere mengalir melewati badan motor ke tanah. Apabila seseorang menyentuh badan motor, maka dia akan menerima tegnagn sebesar 200 volt (yaitu 20 Ohm kali 10 Ampere). Hal ini dapat berakibat patal, tergantung pada tahanan orang tersebut, yang berpariasi
dengan tegangan yang disentuhnya. Hubungan tahanan listrik badan manusia (dewasa dengan kulit kering) dengan tegangan adalah titik linear dan untuk arus searah atau frekuensi sampai 100 Heartz, dapat dilihat pada tablel 1.1.
Sumber 415 Volt 240 Volt terhadap tanah
Gambar 1.1 Gangguan yang tinggi pada tanah
Tabel 1.1
Besaran arus lewat badan , maksimum 10 mA untuk pria dan 8 mA untuk wanita, adalah besaran-besaran yang telah ditetapkan sebagai patokan. Aru 100 mA atau lebih dinyatakan sebagai fatal.publikasi IEC 479 “ Pengaruh-pengaruh arus yang melewati badan manusia ” memuat grafik (gambar 1.2) yang memperlihatkan daerah-daerah bahaya yang diakibatkan sentuhan terhadap sumber arus bolak-balik 50/60 Hz oleh orang dewasa. Apabila arus yang melewati badan manusia dapat dibatasi dalm besaran dn waktu seperti pada derah-daerah satu, dua, dan tiga, maka bahaya mati oleh sengatan listrik dalam keadaan normal akan dapat dihindari. Namun dalam beberapa hal, intensitas kejutan dapat berakibat orang terjatuhh/terlempar, yang dapat
menyebabkan cedera. IEC 364 memberikan
batas waktu maksimum pemutusan
hubungan terhadap sentuhan dengan tegangan, seperti terlihat pada Tabel 1.2.
CUR Arus mA (EFF./r.m.s).s.)
Gambar 1.2 Pengaruhg akibat arus melewati beban manusia : Daerah-daerah 1,2, dan 3 : bahaya mati oleh sengatanlistrik praktis terhindar. Daerah-daerah 4 dan 5 : bahaya mati oleh sengatan listrik.
Tabel 1.2 Tegangan waktu maksimum sentuhan tegangan Tegangan yang mungkin tersentuh (V) <50 50 75 90 110 150 220 280
Waktu maksimum Pemutusan hubungan (detik) ∞ 5 1 0.5 0.2 0.1 0.05 0.3
C. SIFAT-SIFAT DARI SEBUAH ELEKTRODA TANAH Hambatan arus melewati sistemm elektroda tanah mempunyai tiga komponen, yaitu : a. Tahanan pasaknya sendiri dan sambungan-sambungannya. b. Tahanan kontak antara pasakdengan tanah sekitar. c. Tahanan tanah di sekelilingnya. Pasak-pasak tanah, batang-batang logam, struktur dan peralatan lain biasa digunakan untuk elektroda tanah. Elektroda-elektroda ini umumnya besar dan
penampannya sedemikian, sehingga tahanannya dapat diabaikan terhadap tahanan keseluruhan system pentanahan. Pasak dengan
tahanan seragam
yang
ditanam
ke
tanah
akan
menghantarkan arus ke semua jurusan. Marilah kita tinjau suatu elektroda (pasak) yang ditanam di tanah yang terdiri atas laposan-lapisan tanah dengan kekebalan yang sama (gambar 1.3).
Gambar 1.3 Komponen-komponen tahanan elektroda tanah
Lapisan tanah terdekat dengan pasak dengan sendirinya memiliki permukaan paling sempit, sehingga memberikan tahanan terbesar. Lapisan berikutnya karena lebih luas, memberikan tahanan yang lebih kecil. Dari ke 3 komponen “tahanan” tahanan tanah merupakan besarang yang paling kritis dan saling sulit dihitung ataupun diatasi. Pengaruh ukuran pasak terhadap tahanan Apabila pasak ditanam lebih dalam ketanah maka tahanan akan berkurang. Secara umum dapat dikatakan, dua kali lipat lebih dalam tahanan berkurang 40% (gambar 1.4a). Namum, bertambahnya diameter pasak secara material tidak akan mengurangi tahanan. Dua kali lipat diameternya misalnya, hanya mengurangi besarnya tahanan kurang dari 10%. Pengaruh tahanan tanah terhadap tahanan elektroda Rumus Dwight menunjukkan, bahwa tahanan elektroda pentanahan ke tanah tidak hanya tergantung pada kedalaman dan luas permukaan elektroda, tetapi juga pada tahanan tanah. Karena tahanan tanah berkaitan langsung dengan kandungan air, maka dapat saja diasumsikan bahwa tahanan pentanahan suatu system akan berubah sesuai perubahan tiap tahunnya. Variasi-variasi tersebut dapat dilihat pada Gambar 1.4.c.
Gambar 1.4 Variasi-variasi tahanan tanah : (a) terhadap kedalaman; (b) terhadap garis tengah Pasak ; (c) terhadap iklim.
D. TAHANAN JENIS TANAH Faktor keseimbangan antara tahanan pengetanahan dan kapasitansi di sekelilingnya adalah tahanan jenis tanah (ρ). Harga tahanan jenis tanah pada daerah kedalaman yang terbatas tidaklah sama. Beberapa faktor yang mempengaruhi tahanan jenis tanah yaitu: 1. Pengaruh Keadaan Struktur Tanah Kesulitan yang biasa dijumpai dalam mengukur tahanan jenis tanah adalah bahwa dalam kenyataannya komposisi tanah tidaklah homogen pada
seluruh
volume
tanah, dapat bervariasi secara vertikal maupun horizontal, sehingga pada lapisan tertentu mungkin terdapat dua atau lebih jenis tanah dengan tahanan jenis yang
berbeda, oleh karena itu tahanan jenis tanah tidak dapat diberikan sebagai suatu nilai yang tetap. Untuk memperoleh harga sebenarnya dari tahanan jenis tanah, harus dilakukan pengukuran langsung
ditempat dengan memperbanyak titik
pengukuran. Tabel 1.3 memperlihatkan tahana jenis tanah. Tabel 1.3 Tahanan Jenis Tanah Jenis Tahan
Tanah Rawa
Tanah Liat dan Ladang
Pasir Basah
Kerikil Basah
Pasir Kerikil Kering
Tanah Berbatu
30
100
200
500
1000
3000
Tahanan jenis tanah (ohm)
2. Pengaruh Unsur Kimia Kandungan zat-zat kimia dalam tanah terutama sejumlah zat organik maupun anorganik
yang dapat larut
perlu untuk diperhatikan pula.
Didaerah
yang
mempunyai tingkat curah hujan tinggi biasanya mempunyai tahanan jenis tanah yang tinggi disebabkan garam yang terkandung pada lapisan atas larut. Pada daerah yang demikian ini untuk memperoleh pentanahan yang efektif yaitu dengan menanam elektroda pada kedalaman yang lebih dalam dimana larutan garam masih terdapat. Untuk mendapatkan tahanan jenis tanah yang lebih rendah, sering dicoba dengan mengubah komposisi kimia tanah dengan memberikan garam pada tanah dekat elektroda pembumian ditanam. Cara ini hanya baik untuk sementara sebab proses penggaraman harus dilakukan secara periodik, sedikitnya 6 (enam) bulan sekali. 3. Pengaruh Iklim Untuk
mengurangi
pembumian
dapat
variasi
tahanan
dilakukan
jenis
dengan
tanah
menanam
akibat
pengaruh musim,
elektroda pembumian sampai
mencapai kedalaman dimana terdapat air tanah yang konstan. Kadangkala pembenaman elektroda pembumian memungkinkan kelembaban dan temperatur bervariasi sehingga harga tahanan jenis tanah harus diambil untuk keadaan yang paling buruk, yaitu tanah kering dan dingin. Proses mengalirnya arus listrik di dalam tanah sebagian besar akibat dari elektrolisa,
oleh
karena
itu
air
di
dalam
tanah
proses
akan mempengaruhi
konduktivitas atau daya hantar listrik dalam tanah tersebut. Dengan demikian tahanan jenis tanah akan dipengaruhi pula oleh besar kecilnya konsentrasi air tanah atau kelembaban tanah, maka konduktivitas daripada tanah akan semakin besar sehingga tahanan tanah semakin kecil.
4. Pengaruh Temperatur Tanah Temperatur tanah sekitar elektroda pembumian juga berpengaruh pada besarnya tahanan jenis tanah. Hal ini terlihat sekali pengaruhnya pada
temperatur
di
bawah titik beku air (0°C), dibawah harga ini penurunan temperatur yang sedikit
saja akan menyebabkan kanaikan harga tahanan jenis tanah dengan
cepat. Gejala di atas dapat dijelaskan sebagai berikut ; pada temperatur di bawah titik beku air (0°C) , air di dalam tanah akan membeku, molekul- molekul air dalam tanah sulit untuk bergerak, sehingga daya hantar listrik tanah menjadi rendah sekali. Bila temperatur anah naik, air akan berubah menjadi fase cair, molekulmolekul dan ion-ion bebas bergerak sehingga daya hantar listrik tanah menjadi besar atau tahanan jenis tanah turun. Pengaruh temperatur terhadap tahanan jenis tanah dapat dihitung dengan rumus di bawah ini :
ρt = ρ0 (1 + α t ) dimana: ρt = tahanan jenis tanah pada t°C. ρo = tahanan jenis tanah pada 0°C
α o = koefisien temperatur tahanan per °C pada 0° t = temperatur yang timbul (°C) E. UKURAN-UKURAN PENGHANTAR TANAH Penghantar-penghantar dan eelktroda-elektroda baja digunakan untuk saluran distribusi dan pentanahan substasion. Luas minimum penghantar yang diperlukan dapat dicari dengan rumus empiris berikut ini :
Di mana, I = Arus gangguan dalam Ampere T = Lamanya terjadinya gangguan, biasanya diambil 3 dari 5 Pemilihan penghantar dapat mempertimbangkan hal-hal berikut : a. Untuk tanah yang bersipat korosif sangat lambat, dengan tahanan di atas 100 Ωm, tidak ada batas perkenaan korosi (corrosion allowance) b. Untuk tanah yang bersifat korosif lambat, dengan tahanan 25-100 Ωm, batas perkenaan
korosi
adalah
15%
dengan
mempertimbangkan faktor stabilitas termal.
pemilihan
penghantar
sudah
c. Untuk tanah yang bersifat korosif cepat, dengan thanan kurang dari 25 Ωm, batas perkenaaan
korosi
adalah
30%
dengan
pemilihan
penghantar
sudah
mempertimbangkan factor stabilitas termal.. Penghantar dapat dipilh dari ukuran-ukuran standar seperti 10 x 6 mm2, 20 x 6 mm2, 30 x 6 mm2, 40 x 6 mm2, 50 x 6 mm2, 60 x 6 mm2, 50 x 8 mm2, dan 65 x 8 mm2. Penghantar-penghantar pentanahan untuk transformator distribusi dapat dilihat pada Tabel 1.4. Tabel 1.4
F. PERENCANAAN ELEKTRODA PENTANAHAN 1. Perencanaan Elektroda Elektroda-elektroda pentanahan untuk system-sistem distribusi smpai 33 kV umumnya adalah batas MS ukuran mini,u, dengan garis tegah 20 mm atau pipa GI bergaris tengah 25 mm sepanjang 3 m (dengan pertimbangan kekuatan terhadap mekanis dan korsi) diyanam ketanah dengan kedalaman 0,5-0,75 m dari permukaan tanah. Pasak panjang ditancapkan dan ditancapkan lebih dalam sangat bermampaat dalam mengurangi tahanan tanah. Rumus empiris penentuan tahanan total dari berbagai susunan parallel, seperti di bawah ini : a. Dua pasak disusun parallel
= Di mana , x
=(
) d, d jarak antara 2 pasak paralel
b. Tiga pasak parallel berbentuk segitiga samsisisi dengan sisi = d
=
c. Pasak jamak tersusun dalam segi-empat kosong atau segi empat terisi seperti terlihat pada gambar 1.5. apabila jumlah pasak N maka : = Di mana k adalah konstanta yang tergantung jumlah pasak, dapat dilihat pada tabel 1.5. Tabel 1.5 Jumlah pasak Sepanjang sisi segi-empat Segi empat tersisi 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Segi empat kosong 3 4 5 6 7 8 9 10
Jumlah pasak seluruhnya
Harga k
4 8 12 16 20 24 28 32 36
2.7071 4.2583 5.3939 6.0072 6.4633 6.8363 7.1479 7.4195 7.6551
9 16 25 36 49 64 81 100
5.8917 8.5545 11.4371 14.0650 16.8933 19.5003 22.3069 24.9587
Hubungan-hubungan antara elektroda pada system elektroda dibuata di kedalaman 0,5 - 0,75m dari permukaaan tanah. 2. Nomogram Pentanahan Untuk membantu teknisi dalam menentukan kira-kira kedalaman yang diperlukan untuk memperoleh tahanan yang diingini, dapat digunakan nomogram pentanahan seperti gambar 1.5. sebagai contoh untuk memperoleh tahanan 20 ohm di dalam tanah dengan tahanan 10 ohm-m, suatu batang MS dengan garis tengah 18 mm harus ditancapkan kedalam 6 m. perlu dicatat bahwa tanah adalah homogen, dan karena itu mempunyai tahanan seragam.
G. SKEMA PENTANAHAN 1. Sistem Daya Suatu system daya ditanahkan pada titik-titik yang cocok menurut skema tertentu untuk memperoleh keuntungan-keuntungan seperti : mengurangi harga peralatan, menekan biaya operasi dan biaya pemeliharaan, ,eningkatkan keamanan, meningkatkan keterandalan dan meningkatkan penampilan. Ada dua metode pentanahan yaitu : a. Sistem yang ditanahkan secara efektif b. Sistem yang ditanahkan secara tidak efektif 2. Saluran-saluran dan substasion-substasion Pentanahan saluran-saluran adalh penting karena alasan-alasan di bawah ini : a. Untuk memperolehurutan fasa nol impedansi, sehingga dapat mengerjakan relai pemutus arus gangguan cukup besar untuk dapat mengerjakan relai pemutus arus pada saat terjadi gangguan. b. Untuk pengamanan personil ternak c. Untuk mengurangi gangguan interperansi pada komonikasi dengan menjaga potensial tanah tetap rendah. Dalam saluran-saluran, impedansi gangguan maksimum harus sedemikian, sehingga pada kondisi gangguan, arus gangguan tidak kurang dari 2,5 kali batas arus pengerjaan dari kutup dapat dihitung untuk pengecekan syarat arus gangguan tersebut.
3. Saluran-saluran tegangan rendah dan tempat tinggal lanngganan Dengan naiknya penggunaaan listrik untuk pemanasan, memasak dan lain-lain keperluan rumah tangga, jumlah kecelakaan listrik meningkat sebagai akibat pentanahan yang tidak memadai untuk kemungkinan arus gangguan yang besar. Dari berbagai metode pentanahan yang lazim, perlindungan dengan pentanahan jamak titik-titik netaral dengan ikatan titik-titik berpotensial sama, merupakan yang terbaik yang memberikan pengamanan maksimal. Aturan-aturan 33 dan 90 IE tidakk secara khusus memberikan pentanahan jamak untuk system tegangan rendah. Pernyataan dalam aturan itu lebih ditekanakan pada naiknya arus-arus gangguan dan jumlah kecelakaan dalam sistem-sistem.
