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)
8/13/2019 peralatan pentanahan
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)
8/13/2019 peralatan pentanahan
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
8/13/2019 peralatan pentanahan
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.
8/13/2019 peralatan pentanahan
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.
8/13/2019 peralatan pentanahan
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)
8/13/2019 peralatan pentanahan
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
8/13/2019 peralatan pentanahan
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)
8/13/2019 peralatan pentanahan
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)
8/13/2019 peralatan pentanahan
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)
8/13/2019 peralatan pentanahan
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
8/13/2019 peralatan pentanahan
12/13
untuk S = 5 meter Rd2 = 118.5008 W
Berdasarkan gambar (4) dengan mengacu pada persamaan (16) dimana S < L
untuk S = 3 meter Rd2 = 123.1448 W
untuk S = 2.5 meter Rd2 = 125.3299 W
6). Pentanahan dengan Multiple - rod sesuai dengan persamaan (17 - 22) maka :
N=40
Dengan cara yang sama diperoleh sbb:
untuk N = 20 Rt = 30.6359 W
untuk N = 10 Rt = 61.0867 W
untuk N = 5 Rt = 122.0373 W
Kesimpulan
Dari analisa ini dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :
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
8/13/2019 peralatan pentanahan
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