peralatan pentanahan

8/13/2019 peralatan pentanahan

1/13

Pentanahan peralatan adalah penghubungan bagian bagian peralatan listrik yang pada keadaan normal

tidak dialiri arus. Tujuannya adalah untuk membatasi tegangan antara bagian bagian peralatan yang

tidak dialiri arus dan antara bagian bagian ini dengan tanah sampai pada suatu harga yang aman untuk

semua kondisi operasi baik kondisi normal maupun saat terjadi gangguan. Sistem pentanahan ini

berguna untuk memperoleh potensial yang merata dalam suatu bagian struktur dan peralatan serta

untuk memperoleh impedansi yang rendah sebagai jalan balik arus hubung singkat ke tanah. Bila arus

hubung singkat ke tanah dipaksakan mengalir melalui tanah dengan tahanan yang tinggi akan

menimbulkan perbedaan tegangan yang besar dan berbahaya.

Dalam analisis ini digunakan beberapa parameter yaitu kedalaman penanaman elektroda pentanahan,

panjang elektroda batang, jumlah elektroda batang (rod), ketebalan lapisan tanah bagian pertama dan

tahanan jenis tanah tiap lapisan dengan menggunakan beberapa asumsi yaitu:

Lapisan-lapisan tanah sejajar terhadap permukaan tanah.

Tahanan jenis tanah adalah konstan untuk setiap lapisan.

Analisa hanya dilakukan untuk elektroda rod

Panjang rod (L) untuk semua kemungkinan pemasangan adalah sama (3.5 meter)

Pada saat terjadi gangguan, arus gangguan yang dialirkan ke tanah akan menimbulkan perbedaan

tegangan pada permukaan tanah yang disebabkan karena adanya tahanan tanah. Jika pada waktu

gangguan itu terjadi seseorang berjalan di atas switch yard sambil memegang atau menyentuh suatu

peralatan yang diketanahkan yang terkena gangguan, maka akan ada arus mengalir melalui tubuh orang

tersebut. Arus listrik tersebut mengalir dari tangan ke kedua kaki dan terus ke tanah, bila orang tersebutmenyentuh suatu peralatan atau dari kaki yang satu ke kaki yang lain, bila ia berjalan di switch yard

tanpa menyentuh peralatan. Arus ini yang membahayakan orang dan biasanya disebut arus kejut. Berat

ringannya bahaya yang dialami seseorang tergantung pada besarnya arus listrik yang melalui tubuh,

lamanya arus tersebut mengalir dan frekuensinya.

1. Arus Melalui Tubuh Manusi

Kemampuan tubuh manusia terhadap besarnya arus yang mengalir di dalamnya terbatas dan lamanya

arus yang masih dapat ditahan sampai yang belum membahayakan sukar ditetapkan. Berdasarkan hal ini

maka batas - batas arus berdasarkan pengaruhnya terhadap tubuh manusia dijelaskan berikut ini .

Bila seseorang memegang penghantar yang diberi tegangan mulai dari harga nol dan dinaikkan sedikit

demi sedikit, arus listrik yang melalui tubuh orang tersebut akan memberikan pengaruh. Mula mula

akan merangsang syaraf sehingga akan terasa suatu getaran yang tidak berbahaya bila dengan arus

bolak balik dan akan terasa sedikit panas pada telapak tangan bila dengan arus searah (arus persepsi)


2/13

Bila tegangan yang menyebabkan terjadinya tingkat arus persepsi dinaikkan lagi maka orang akan

merasa sakit dan kalau terus dinaikkan maka otot-otot akan kaku sehingga orang tersebut tidak berdaya

lagi untuk melepaskan konduktor tersebut.

Apabila arus yang melewati tubuh manusia lebih besar dari arus yang mempengaruhi otot dapat

mengakibatkan orang menjadi pingsan bahkan sampai mati, hal ini disebabkan arus listrik tersebut

mempengaruhi jantung sehingga jantung berhenti bekerja dan peredaran darah tidak jalan.

Penelitian yang telah dilakukan oleh Dalziel disebutkan bahwa 99.5 % dari semua orang yang beratnya

kurang dari 50 kg masih dapat menahan arus pada frekuensi 50 Hz atau 60 Hz yang mengalir melalui

tubuhnya dan waktu yang ditentukan oleh persamaan sebagai berikut :

(1)

(2) Jika k= (3)

Keterangan :

Ik : besarnya arus yang mengalir melalui tubuh (Ampere)

t : lamanya arus mengalir dalam tubuh atau lama ganguan tanah (detik)

K : konstanta empiris, sehubungan dengan adanya daya kejut yang dapat ditahan oleh X % dari

sekelompok manusia.

Untuk X=99.5 %, 50 kg diperoleh K= 0.0135, maka k = 0.116

Untuk X=99.5 %, 70 kg diperoleh K=0.01246 maka k = 0.157

Dengan menggunakan persamaan (3) akan diperoleh besarnya arus yang masih dapat ditahan

seseorang sebagai berikut :

(4)

(5)


3/13

2. Tahanan Tubuh Manusia

Tahanan tubuh manusia berkisar di antara 500 Ohm sampai 100.000 Ohm tergantung dari tegangan,

keadaan kulit pada tempat yang mengadakan hubungan (kontak) dan jalannya arus dalam tubuh. Kulit

yang terdiri dari lapisan tanduk mempunyai tahanan yang tinggi, tetapi terhadap tegangan yang tinggi

kulit yang menyentuh konduktor langsung terbakar, sehingga tahanan dari kulit ini tidak berarti apa-apa.Tahanan tubuh manusia ini yang dapat membatasi arus. Berdasarkan hasil penyelidikan oleh para ahli

maka sebagai pendekatan diambil harga tahanan tubuh manusia sebesar 1000 Ohm.

3. Karakteristik Tanah

Karakteristik tanah merupakan salah satu faktor yang mutlak diketahui karena mempunyai kaitan erat

dengan perencanaan dan sistem pentanahan yang akan digunakan. Sesuai dengan tujuan pentanahan

bahwa arus gangguan harus secepatnya terdistribusi secara merata ke dalam tanah, maka penyelidikan

tentang karakteristik tanah sehubungan dengan pengukuran tahanan dan tahanan jenis tanah

merupakan faktor penting yang sangat mempengaruhi besarnya tahanan pentanahan. Pada

kenyataannya tahanan jenis tanah harganya bermacam-macam, tergantung pada komposisi tanahnya

dan faktor faktor lain.

Untuk memperoleh harga tahanan jenis tanah yang akurat diperlukan pengukuran secara langsung pada

lokasi pembangunan gardu induk karena struktur tanah yang sesungguhnya tidak sesederhana yang

diperkirakan. Pada suatu lokasi tertentu sering dijumpai beberapa jenis tanah yang mempunyai tahanan

jenis yang berbeda-beda (non uniform). Pada pemasangan sistem pentanahan dalam suatu lokasi gardu

induk, tidak jarang peralatan pentanahan tersebut ditanam pada dua atau lebih lapisan tanah yang

berbeda yang berarti bahwa tahanan jenis tanah di tempat itu tidak sama. Apabila lapisan tanahpertama dari sistem pentanahan mempunyai tahanan jenis sebesar r 1 sedangka lapisan bawahnya

dengan tahanan jenisnya adalah r 2, maka diperoleh faktor refleksi K seperti pada persamaan :

(6)

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

Ada beberapa faktor yang dapat mempengaruhi tahanan jenis tanah antara lain: Pengaruh temperatur,

pengaruh gradien tegangan, pengaruh besarnya arus, pengaruh kandungan air dan pengaruh kandungan

bahan kimia. Pada sistem pengetanahan yang tidak mungkin atau tidak perlu untuk ditanam lebih dalam

sehingga mencapai air tanah yang konstan, variasi tahanan jenis tanah sangat besar. Kadangkala pada

penanaman elektroda memungkinkan kelembaban dan temperatur bervariasi, untuk hal seperti ini


4/13

harga tahanan jenis tanah harus diambil dari keadaan yang paling buruk, yaitu tanah kering dan dingin.

Berdasarkan harga inilah dibuat suatu perencanaan pengetanahan.

Nilai tahanan jenis tanah (r ) sangat tergantung pada tahanan tanah ( R ) dan jarak antara elektroda-

elektroda yang digunakan pada waktu pengukuran. Pengukuran perlu dilakukan pada beberapa tempat

yang berbeda guna memperoleh niai rata-ratanya. Tahanan jenis rata-rata dari dua lapis tanah menurut

IEEE standar 81 dimodelkan sebagai berikut :

(7)

dimana :

Rhoav : tahanan jenis rata-rata dua lapis tanah (Ohm-m)

r 1 : tahanan jenis tanah lapisan pertama (Ohm-m)

a : jarak antara elektroda (meter)

h : ketebalan lapisan tanah bagian pertama (meter)

K : koefesien refleksi

d : diameter elektroda (meter)

n : jumlah pengamatan (sampel) tiap lapisan tanah yang diamati

Perbedaan tahanan jenis tanah akibat iklim biasanya terbatas sampai kedalaman beberapa meter dari

permukaan tanah, selanjutnya pada bagian yang lebih dalam secara praktis akan konstan.

4. Konduktor Pentanahan

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

Memiliki daya hantar jenis (conductivity) yang cukup besar sehingga tidak akan memperbesar beda

potensial lokal yang berbahaya.

Memiliki kekerasan (kekuatan) secara mekanis pada tingkat yang tinggi terutama bila digunakan pada

daerah yang tidak terlindung terhadap kerusakan fisik.

Tahan terhadap peleburan dari keburukan sambungan listrik, walaupun konduktor tersebut akan

terkena magnitude arus gangguan dalam waktu yang lama.


5/13

Tahan terhadap korosi.

Dari persamaan kapasitas arus untuk elektroda tembaga yang dianjurkan oleh IEEE Guide standar,

Onderdonk menemukan suatu persamaan :

(8)

dimana :

A : penampang konduktor (circular mills)

I : arus gangguan (Ampere)

t : lama gangguan (detik)

Tm : suhu maksimum konduktor yang diizinkan ( 0 C )

Ta : suhu sekeliling tahunan maksimum ( 0 C )

Persamaan di atas dapat digunakan untuk menentukan ukuran penampang minimum dari konduktor

tembaga yang dipakai sebagai kisi-kisi pentanahan.

5. Penentuan panjang elektroda pentanahan

Kebutuhan akan konduktor pentanahan pada umumnya baru diperkirakan setelah diketahui tata letak

peralatan yang akan diketanahkan serta sistem pentanahan yang akan digunakan. Sebagai dasarpertimbangan dalam penentuan panjang konduktor pentanahan umumnya digunakan tegangan sentuh,

bukan tegangan langkah dan tegangan pindah. Hal ini disebabkan karena tegangan langkah yang timbul

di dalam instalasi yang terpasang pada switch yard umumnya lebih kecil daripada tegangan sentuh

tersebut.

Pentanahan peralatan gardu induk mula mula dilakukan dengan menanamkan batang konduktor tegak

lurus permukaan tanah (rod). Penelitian selanjutnya dengan sistem penanaman elektroda secara

horisontal dengan bentuk kisi-kisi (grid) dan gabungan sistem grid dengan rod.

6. Penentuan Jumlah Batang Pengetanahan

Pada saat arus gangguan mengalir antara batang pengetanahan dengan tanah, tanah akan menjadi

panas akibat i2r . Suhu tanah harus tetap di bawah 100 0 C untuk menjaga jangan sampai terjadi

penguapan air kandungan dalam tanah dan kenaikan tahanan jenis tanah.


6/13

Kerapatan arus yang diizinkan pada permukaan batang pentanahan dapat dihitung dengan persamaan

[13] :

(9)

dimana :

i : kerapatan arus yang diizinkan (Ampere/cm)

d : diameter batang pengetanahan (mm)

d : panas spesifik rata-rata tanah ( 1.75 x 106 watt-detik tiap m2 tiap 0C )

q : kenaikan suhu tanah yang diizinkan ( 0 C )

r : tahanan jenis tanah (Ohm-m)

t : lama waktu gangguan (detik)

Seluruh panjang batang pentanahan yang diperlukan dihitung dari pembagian arus gangguan ke tanah

dengan kerapatan arus yang diizinkan, sedang jumlah minimum batang pentanahan yang diperlukan

diperoleh dari pembagian panjang total dengan panjang satu batang, atau dalam bentuk lain dituliskan

sebagai berikut :

(10)

dimana :

Nmin : jumlah minimum batang pentanahan yang diperlukan

Ig : arus gangguan ke tanah (Ampere)

i : kerapatan arus yang diizinkan (Ampere/cm)


7/13

7. Bentuk-Bentuk Elektroda Pentanahan

7.1 Pentanahan Rod (Elektroda Batang )

Di bawah ini diperlihatkan disribusi tegangan yang terjadi untuk satu batang elektroda dan dua batang

elektroda yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah, dimana arus kesalahan mengalir dari elektroda

tersebut ke tanah sekitarnya.

dimana Ux : teagangan elektroda pentanahan atau tegangan antara elektroda dengan tanah

x : jarak dari elektroda

Dengan demikian untuk jumlah elektroda yang lebih banyak yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah

maka tahanan pentanahan semakin kecil dan distribusi tegangan akan lebih merata.

7.1.1 Satu batang elektroda yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah

Dari suatu konduktor terdapat hubungan antara tahanan dan kapasitansi sebesar :

R = r / 2pC (11)

dimana :

R : tahanan (Ohm)

p : tahanan jenis tanah tiap lapisan (Ohm-m)

C : kapasitansi (statt Farad)

Kapasitansi ini termasuk kapasitansi dari bayangan konduktor yang ditanam ke dalam tanah. Pada

gambar-3 satu batang elektroda berbentuk selinder dengan panjang L yang ditanam tegak lurus

permukaan tanah berdiameter 2a, dengan bayangan di atas permukaan tanah. Untuk menghitung

kapasitansi elektroda pentanahan dan bayangan, digunakan metode potensial rata rata menurut G.W.O

Home. Dalam persoalan pentanahan, elektroda pentanahan merupakan bahan penghantar yang

membawa muatan listrik yang terdistribusi (menyebar) disekeliling elektroda pentanahan. Dengan cara

seperti ini potensial di setiap tempat pada permukaan elektroda akan sama. Bila pada elektroda

tersebut diberikan suatu muatan yang merata, maka kapasitansi dapat dihitung dengan metode


8/13

potensial rata rata. Hasil yang didapatkan untuk satu batang elektroda berbentuk selinder yang ditanam

seluruhnya di dalam tanah dinyatakan dengan persamaan :

(12)

Maka tahanan dari satu batang elektroda yang ditanam tegak lurus permukaan tanah menurut H.B

Dwight, di dapat dengan mensustitusikan persamaan (12) ke dalam persamaan (11) sehingga diperoleh

persamaan untuk gambar (3.a) sbb:

(13)

Untuk elektroda batang yang ditanam tegak lurus dan pada kedalaman beberapa cm di bawah

permukaan tanah (gambar 3.b) berlaku hubungan:

(14)

Untuk gambar (3.c) satu batang elektroda tegak lurus kedalam tanah, dan menembus lapisan kedua

tanah tersebut. Hal ini berlaku persamaan :

(14-a)

Untuk gambar (3.d) satu batang elektroda tegak lurus kedalam tanah, pada kedalaman beberapa cm di

bawah permukaan tanah dan menembus lapisan kedua tanah tersebut. Hal ini berlaku persamaan :

(14-b)


9/13

dimana :

Rd1 : tahanan untuk satu batang elektroda yang ditanam tegak lurus permukaan tanah (Ohm)

L : panjang elektroda batang (meter)

a : jari-jari batang elektroda (cm)

r : tahanan jenis tanah rata-rata (Ohm-m)

(indeks 1 atau 2 menunjukkan lapisan tanah)

hb : kedalaman penanaman elektroda (meter)

7.1.2 Dua batang elektroda tegak lurus ke dalam tanah

Susunan dari dua batang elektroda berbentuk selinder dengan panjang L yang ditanam tegak lurus ke

dalam tanah dengan jarak antara ke dua elektroda tersebut sebesar S terlihat pada gambar di bawah.

Nilai tahanan pentanahan dan tahanan jenis tanah yang relatif tinggi, maka untuk menguranginya

dengan cara menanamkan batang-batang elektroda pentanahan dalam jumlah yang cukup banyak.

Untuk dua batang elektroda pentanahan yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah oleh Dwight, JL.

Marshall dengan memperhatikan efek bayangan biasanya adalah dengan menghitung tegangan pada

salah satu batang elektroda yang disebabkan oleh distribusi muatan yang merata di batang elektroda itu

sendiri dan pada batang elektroda yang lain termasuk bayangannya. Dengan menghitung tegangan rata-

rata yang disebabkan oleh muatan batang elektroda itu sendiri dan menghitung tegangan rata-rata yang

disebabkan oleh muatan batang elektroda yang lain. Tegangan total rata-rata diperoleh dengan

menjumlahkan antara keduanya.

Rumus tahanan pentanahan untuk dua batang elektroda yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah

adalah [13]:

(15)


10/13

untuk S > L

(16)

untuk S < L

dimana : S : jarak antara kedua elektroda (meter)

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

Jika susunan batang - batang elektroda yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah dalam jumlah yang

lebih banyak, maka tahanan pentanahan akan semakin kecil dan distribusi tegangan pada permukaan

tanah akan lebih merata. Penanaman elektroda yang tegak lurus ke dalam tanah dapat berbentuk bujur

sangkar atau empat persegi panjang dengan jarak antara batang elektroda pentanahan adalah sama

seperti pada dalam gambar berikut :

Nilai tahanan pentanahan untuk beberapa batang elektroda yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah di

mana rod menembus lapisan tanah paling bawah/kedua, dihitung dengan mengikuti persamaan berikut:

( )

(17)

dimana Rt adalah tahanan elektroda batang (rod)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(24)


11/13

(25)

Keterangan :

N : jumlah batang rod

Cf (shafe factor = 0.9)

Ra dan Rb (tahanan berdasarkan pososi elektroda ( gambar.5))

Analisa :

Dimisalkan :

panjang tiap konduktor batang =3.5 meter

diameter konduktor batang = 3/4 inch = 0.01905 meter

Jari-jari batang konduktor =9.525x10-3 meter

tahanan jenis tanah rata-rata lapisan pertama =750 Ohm-m

tahanan jenis tanah rata-rata lapisan kedua =550 Ohm-m

Ketebalan lapisan tanah bagian atas h = 3.8 meter

Kedalaman penanaman elektroda hb = 0.5 meter

1). Berdasarkan gambar (3-a) dengan mengacu pada persamaan (13) diperoleh :

Rd1 = 214.7256 W

2). Beradasrkan gambar (3-b) dengan mengacu pada persamaan (14) diperoleh :

Rd1 = 191.0741 W

3). Berdasarkan gambar (3-c) dengan mengacu pada persamaan (14-a) diperoleh :

Rd1 = 157.4655 W

4). Berdasarkan gambar (3-d) dengan mengacu pada persamaan (14-b) diperoleh :

Rd1 = 196,6387 W

5). Berdasarkan gambar (4) dengan mengacu pada persamaan (15) dimana S > L

untuk S = 4 meter Rd2 = 121.9813 W


12/13


Berdasarkan gambar (4) dengan mengacu pada persamaan (16) dimana S < L


untuk S = 2.5 meter Rd2 = 125.3299 W

6). Pentanahan dengan Multiple - rod sesuai dengan persamaan (17 - 22) maka :

N=40

Dengan cara yang sama diperoleh sbb:

untuk N = 20 Rt = 30.6359 W

untuk N = 10 Rt = 61.0867 W

untuk N = 5 Rt = 122.0373 W

Kesimpulan

Dari analisa ini dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :

Bila struktur tanah dianggap homogen

Tahanan elektroda pentanahan untuk satu batang rod akan semakin kecil bila elektroda tersebut

ditanam semakin jauh dari permukaan tanah

Untuk dua batang elektroda, bila jarak antara keduanya menjadi lebih besar dari panjang elektroda nilai

tahanan pentanahan akan semakin kecil.

Bila jarak antara kedua elektroda menjadi semakin kecil dibandingkan dengan panjang elektroda

diperoleh tahanannya semakin besar.

Dengan menganggap struktur tanah tidak homogen untuk satu batang elektroda diperoleh tanahan

pentanahan yang lebih kecil dibandingkan dengan tanah homogen

Bilamana jumlah elektroda semakin banyak, tahanan pentanahannya semakin kecil, baik pada tanah

homogen maupun tidak homogen


13/13

Sumber Bacaan

Baldev Thapar, Victor Gerez and Prince Emmanuel [1993], "Ground Resistance Of The Foot In Substation

Yards", IEEE Transaction on Power Delivery, Vol.8 No.1, pp.1-6

Baldev Thapar, Victor Gerez and Vijay Singh [1993], "Effective Ground Resistance Of The Human Feet In

High Voltage Switchyards", IEEE Transaction on Power Delivery, Vol.8 No.1, pp. 7 - 12

Baldev Thapar, Victor Gerez [1996], "Equivalent Resistivity Of Non-uniform Soil For Grounding Grid

Design", IEEE Transaction on Power Delivery, Vol.10 No.2, pp.759-767

J.Lazzara, N.Barbeito [1990], "Simplified Two Layer Model Substation Grounding Grid Design

Methodology", IEEE Transaction on Power Delivery, Vol.5, No.4, pp.1741-1750

J.M. Nahman, V.B. Djordjevic [1996], "Resistance To Ground of Combined Grid-Multiple Rods

Electrodes", IEEE Transaction on Power Delivery, Vol. 11, No. 3, pp.1337 - 1342

T.S Hutauruk [1991], "Pengetanahan Netral Sistem tenaga & Pengetanahan Peralatan" , Benerbit

Erlangga Jakarta.

Y.L. Chow, J.J. Yang, and K.D Srivastava [1995], "Grounding Resistance Of Buried Electrodes in Multi-

Layer Earth Predicted by Simple Voltage Measurements along Earth Surface-A Theoritical Discussion",

IEEE Transaction on Power Delivery, Vol.10, No.2, pp.707 - 715.

Y.L Chow, M.M.A Salama [1994], "A Simplified Method for Calculating The Substation Grounding Grid

Resistance", IEEE Transaction on Power Delivery, Vol. 9 No.2 pp.736 - 742.

Y.L. Chow, M.M Elsherbiny, M.M.A Salama [1996], "Resistance Formula of Grounding System in Two-

Layer Earth", IEEE Transaction on Power Delivery, Vol.11, No. 3, pp. 1330 - 1336

Documents

peralatan pentanahan