PENULIS
KATA PENGANTAR PENULIS
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa, atas rahmat dan karunianya penulis dapat menyelesaikan Buku siswa ini tepat pada waktunya, walaupun ada beberapa hambatan.
Buku siswa ini ditulis untuk digunakan oleh siswa SMK sesuai dengan jurusannya agar dapat memahami dan lebih mendalami permasalahan-permasalahan materi yang dibahas pada buku ini yang pada akhirnya akan dapat meningkatkan kompetensi siswa.
Ucapan terima kasih yang tak terhingga kepada semua pihak baik secara kelembagaan maupun perseorangan yang telah membantu dalam penyelesaian penulisan Buku Siswa ini, semoga semua bantuannya mendapat ganjaran yang berlipat ganda. Harus diakui, dan kami menyadarinya bahwa Buku Siswa ini jauh dari sempurna. Oleh karena itu, kami harapkan saran, kritik atau apapun untuk perbaikan penulisan Buku siswa ini, terima kasih.
Penulis
KATA PENGANTAR
Kurikulum 2013 adalah kurikulum berbasis kompetensi. Di dalamnya dirumuskan secara terpadu kompetensi sikap, pengetahuan dan keterampilan yang harus dikuasai peserta didik serta rumusan proses pembelajaran dan penilaian yang diperlukan oleh peserta didik untuk mencapai kompetensi yang diinginkan.
Faktor pendukung terhadap keberhasilan Implementasi Kurikulum 2013 adalah ketersediaan Buku Siswa dan Buku Guru, sebagai bahan ajar dan sumber belajar yang ditulis dengan mengacu pada Kurikulum 2013. Buku Siswa ini dirancang dengan menggunakan proses pembelajaran yang sesuai untuk mencapai kompetensi yang telah dirumuskan dan diukur dengan proses penilaian yang sesuai.
Sejalan dengan itu, kompetensi keterampilan yang diharapkan dari seorang lulusan SMK adalah kemampuan pikir dan tindak yang efektif dan kreatif dalam ranah abstrak dan konkret. Kompetensi itu dirancang untuk dicapai melalui proses pembelajaran berbasis penemuan (discovery learning) melalui kegiatan-kegiatan berbentuk tugas (project based learning), dan penyelesaian masalah (problem solving based learning) yang mencakup proses mengamati, menanya, mengumpulkan informasi, mengasosiasi, dan mengomunikasikan.
Khusus untuk SMK ditambah dengan kemampuan mencipta .
Sebagaimana lazimnya buku teks pembelajaran yang mengacu pada kurikulum berbasis kompetensi, buku ini memuat rencana pembelajaran berbasis aktivitas. Buku ini memuat urutan pembelajaran yang dinyatakan dalam kegiatan-kegiatan yang harus dilakukan peserta didik. Buku ini mengarahkan hal-hal yang harus dilakukan peserta didik bersama guru dan teman sekelasnya untuk mencapai kompetensi tertentu; bukan buku yang materinya hanya dibaca, diisi, atau dihafal.
Buku ini merupakan penjabaran hal-hal yang harus dilakukan peserta didik untuk mencapai kompetensi yang diharapkan. Sesuai dengan pendekatan kurikulum 2013, peserta didik diajak berani untuk mencari sumber belajar lain yang tersedia dan terbentang luas di sekitarnya. Buku ini merupakan edisi ke-1. Oleh sebab itu buku ini perlu terus menerus dilakukan perbaikan dan penyempurnaan.
Kritik, saran, dan masukan untuk perbaikan dan penyempurnaan pada edisi berikutnya sangat kami harapkan; sekaligus, akan terus memperkaya kualitas penyajian buku ajar ini.
Atas kontribusi itu, kami ucapkan terima kasih. Tak lupa kami mengucapkan terima kasih kepada kontributor naskah, editor isi, dan editor bahasa atas kerjasamanya. Mudah- mudahan, kita dapat memberikan yang terbaik bagi kemajuan dunia pendidikan menengah kejuruan dalam rangka mempersiapkan generasi seratus tahun Indonesia Merdeka (2045).
Jakarta, Januari 2014 Direktur Pembinaan SMK Drs. M. Mustaghfirin Amin, MBA
DAFTAR ISI
PENULIS ... i
KATA PENGANTAR PENULIS ... ii
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ... iv
DAFTAR GAMBAR ... v
DAFTAR TABEL ... vi
BAB I ... 1
PENDAHULUAN ... 1
A. Deskripsi ... 1
B. Prasyarat ... 1
C. Petunjuk Penggunaan ... 1
D. Tujuan Akhir... 2
BAB II ... 3
PEMBELAJARAN ... 3
1. Proteksi Hubung Singkat, Beban Lebih dan Pembumian ... 3
2. Persyaratan Kualitas Proteksi ... 6
3. Proteksi hubung singkat ... 7
4. Proteksi Beban Lebih (overload) ... 21
5. Gambaran Umum Sistem Pembumian ... 21
5.1.Bahaya Kebocoran Isolasi ... 22
5.2. Sifat Elektroda Pembumian ... 26
5.3. Faktor-faktor Yang Berpengaruh Terhadap Sistem Pembumian ... 28
5.4. Memilih Elektroda Yang Tepat ... 30
Tugas Latihan ... 34
Kunci Jawaban Tugas Latihan ... 38
Pre-Test Praktek ... 39
Kunci Jawaban Test Unit Modul Nomor 1 ... 41
KUNCI JAWABAN EVALUASI AKHIR ... 62
a. Kunci Jawaban Soal Objectif ... 62
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2. 1 Hubungan Arus ... 9Gambar 2. 2 hubungan singkat arus ... 11
Gambar 2. 3 jaringan sistim tenaga listrik sederhana ... 13
Gambar 2. 4 jaringan sistim tenaga listrik sederhana ... 14
Gambar 2. 5 Transmisi ... 19
Gambar 2. 6 diagram ... 19
Gambar 2. 7 Bagian-bagian yang dilintasi arus gangguan... 23
Gambar 2. 8 Gangguan tanah pada sistem yang netralnya tidak dibumikan .. 26
Gambar 2. 9 Gangguan tanah pada sistem yang netralnya dibumikan... 26
Gambar 2. 10 Daerah tahanan efektif ... 27
Gambar 2. 11 Daerah tahanan efektif ... 28
Gambar 2. 12 grafik hubungan antara tahanan pembumian terhadap ... 30
Gambar 2. 13 grafik hubungan antara tahanan pembumian terhadap ... 31
Gambar 2. 14 grafik hubungan antara tahanan pembumian terhadap kedalaman pemancangan (m). ... 32
Gambar 2. 15 cara pemasangan elektroda pita ... 32
Gambar 2. 16 grafik hubungan antara besar tahanan pembumian dangan panjang elektroda ... 33
Gambar 2. 17 percobaan ... 37
Gambar 2. 18 Categori of duty ... 50
Gambar 2. 19 Ohmic resistances and reactances of transformers versus power at 380 V/50 Hz ... 60
DAFTAR TABEL
Tabel 2. 1 Tegangan sentuh yang dianggap aman. ... 24
Tabel 2. 2 Hubungan antara tegangan sentuh dengan waktu sentuhan maksimum yang diizinkan adalah sebagai berikut: ... 24
Tabel 2. 3 Tahanan jenis rata-rata tanah ... 29
Tabel 2. 4 percobaan 1 ... 37
Tabel 2. 5 percobaan 2 ... 37
BAB I
PENDAHULUAN
A. Deskripsi
Modul ini bertujuan untuk memberikan bekal pengetahuan, keterampilan dan sikap kepada peserta didik tentang proteksi sistim tenaga listrik
Modul ini berisikan materi pengetahuan, keterampilan dan sikap tentang tentang proteksi sistim tenaga listrik yang terdiri dari proteksi hubung singkat, beban lebih , dan pembumian.
B. Prasyarat
Untuk dapat mengikuti modul ini peserta didik harus sudah mempunyai pengetahuan dalam bidang :
Keselamatan dan kesehatan kerja
Rangkaian listrik
Peralatan ukur listrik
Gambar teknik listrik
Kerja bangku listrik C. Petunjuk Penggunaan
Modul Pembelajaran ini menggunakan Sistem Pendekatan scientifik dengan menekankan pada Problem Based Learning/ PBL (Pembelajaran Berdasarkan Masalah). Pendekatan scientifik adalah pendekatan yang memperhatikan kemampuan, keterampilan dan sikap yang diperlukan agar. Penekanan utamanya adalah pada apa yang dapat dilakukan seseorang setelah mengikuti pembelajaran. Salah satu karakteristik yang paling penting dari pembelajaran dengan sistem Pendekatan scientifik adalah penguasaan individu terhadap bidang pengetahuan, sikap dan keterampilan tertentu secara nyata.
Setelah mempelajari modul ini, kemudian dilakukan evaluasi, ternyata belum mencapai tingkat kompetensi tertentu pada kesempatan pertama, maka guru akan mengatur rencana bersama anda untuk mempelajari dan memberikan kesempatan kembali kepada Anda untuk meningkatkan level kompetensi sesuai dengan level tertentu yang diperlukan. Penyajian modul ini dibagi dalam Kegiatan Belajar. Setiap kegiatan belajar dilengkapi dengan evaluasi berupa pertanyaan-pertanyaan yang harus dijawab setelah Anda selesai membaca masukan atau referensi yang relevan.
D. Tujuan Akhir
Tujuan akhir setelah mempelajari modul ini, diharapkan mampu :
1. Mengidentifikasi proteksi hubung singkat 2. Mengidentifikasi proteksi beban lebih 3. Mengidentifikasi proteksi pembumian
BAB II
PEMBELAJARAN
A. Deskripsi
Proteksi sistem Tenaga Listrik pada modul ini merupakan materi yang terdiri dari teori dan praktikum yang membahas mengenai proteksi hubung singkat, beban lebih , dan pembumian.
B. Kegiatan Belajar
1. Proteksi Hubung Singkat, Beban Lebih dan Pembumian a. Tujuan Kegiatan Pembelajaran
Pada akhir pembelajaran Peserta didik diharapkan dapat :
Mengidentifikasi proteksi hubung singkat
Mengidentifikasi proteksi beban lebih
Mengidentifikasi proteksi pembumian
b. Uraian Materi 1. Pendahuluan
Kesinambungan jaringan tenaga listrik melayani bebannya ditentukan oleh keandalan kerja proteksi yang ditempatkan dalam jaringan dimaksud. Untuk itu maka perencanaan sistim proteksi menjadi bagian penting yang harus direncanakan dengan matang sehingga dapat mengatasi kemungkinan- kemungkinan gangguan yang ada misalnya hubung singkat, tegangan lebih, beban lebih, frekuensi sistem rendah, asinkron dan lain-lain, yang membahayakan keselamatan manusia ataupun peralatan pada system ketenagalistrikan mulai dari pembangkit sampai ke konsumen.
Pemasangan alat proteksi selalu disesuaikan dengan karakteristik gangguan pada jaringan ketenagalistrikan, oleh sebap itu langkah awal yang dilakukan adalah dengan menganalisa karakteristik gangguan,mendiskripsikannya, kemudian memilih alat proteksi yang sesuai untuk mengatasi gangguan dimaksud.
Berbagai macam gangguan dapat terjadi dalam system ketenagalistrikan misalnya gangguan pada generator pembangkit, gangguan pada transformator daya, gangguan pada jaringan transmisi/distribusi dan gangguan-gangguan pada busbar.
Kinerja proteksi hendaknya dapat mengatasi masalah berikut ini;
1. Bereaksi cepat memutuskan gangguan yang terjadi untuk mengeleminir kecelakaan pada manusia dan kerusakan pada peralatan dalam jaringan kelistrikan
2. Melokalisir daerah gangguan dalam jaringan ketenagalistrikan sehingga tidak mengganggu daerah yang lainnya
Sistem proteksi tenaga listrik tersusun dari komponen relay yang biasanya ditempatkan di gardu untuk memonitor tegangan dan arus system tenaga melalui transformator tegangan (PT) dan transformator arus (CT) yang diprogramkan menginisiasi sinyal pemutusan ke cicuit breaker (CB) bila terjadi gangguan.
Sebagai tanda bahwa sistim proteksi ini telah melakukan fungsinya dinyatakan dengan bunyi alarm, jadi semua komponen system proteksi yaitu relay, (CB) dan alarm membutuhkan daya listrik untuk dapat melakukan tugasnya masing- masing,Sistem proteksi ini akan bekerja cepat memutuskan gangguan bila ditunjang oleh sistim pembumian instalasi yang bagus. Selanjutnya system proteksi yang dapat bekerja cepat akan mencegah kerusakan peralatan akibat panas lebih (over heating).Jika arus kerja bertambah melampaui batas aman yang ditentukan dan tidak ada proteksi atau jika proteksi tidak memadai atau tidak efektif, maka gangguan yang ada akan mengakibatkan kerusakan isolasi semua komponen jaringan demikian seterusnya pertambahan arus yang berkelebihan menyebabkan rugi-rugi daya pada konduktor akan berkelebihan pula.Kedua hal tersebut terjadi karena pengaruh pemanasan sebanding dengan kwadrat dari arus seperti ditunjukkan dalam persamaan sebagai berikut;
H = 12 Rt Joules Dimana :
H = panas yang dihasilkan (Joule) I= arus konduktor (ampere) R= tahanan konduktor (ohm)
Pemutusan arus gangguan dapat dilakukan dengan Sekering atau Circuit Breaker.
Tetapi untuk memutuskan arus gangguan jangan sampai merusak Sekering atau Circuit Breaker itu sendiri, oleh karena itu harus dipilih Sekering atau Circuit Breaker yang memiliki “breaking capacity” sesuai dengan kapasitas arus hubung singkatnya.
Alat pemutus arus gangguan (Sekering atau Circuit Breaker) yang diperlukan harus memenuhi persyaratan sebagai berikut :
1. Sanggup dilalui arus nominal secara terus menerus tanpa pemanasan yang berlebihan (overheating).
2. Overload yang kecil pada selang waktu yang pendek seharusnya tidak menyebabkan peralatan bekerja
3. Harus dapat bekerja walaupun terjadi overload yang kecil tetapi cukup lama sehingga dapat menyebabkan overheating pada rangkaian penghantar.
4. Harus dapat membuka rangkaian sebelum kerusakan yang disebabkan oleh arus gangguan terjadi.
5. Harus dapat melakukan “pemisahan” (discriminative) hanya pada rangkaian yang terganggu yang dipisahkan dari rangkaian yang lain yang tetap
beroperasi.
Proteksi beban lebih (overload) dipakai untuk memutuskan peralatan dari rangkaian instalasi listrik sebelum terjadi overheating. Sedangkan proteksi gangguan hubung singkat dipakai untuk memutuskan peralatan dari rangkaian instalasi listrik dengan cepat sebelum arus hubung singkat yang besar mencapai harga yang dapat merusak akibat overheating, arcing atau ketegangan mekanik.
Komponen-komponen sistem proteksi terdiri dari :
Circuit Breaker (CB)
R e l a y
Trafo arus (CT)
Trafo tegangan (PT)
Kabel kontrol
Supplay (batere)
2. Persyaratan Kualitas Proteksi
Ada beberapa persyaratan yang sangat perlu diperhatikan dalam suatu perencanaan sistem proteksi yang efektif yaitu :
1) Selektivitas dan Diskrimanasi
Efektivitas suatu sistem proteksi dapat dilihat dari kesanggupan sistem dalam mengisolir bagian yang mengalami gangguan saja
2) Stabilitas
Sifat yang tetap inoperatif apabila gangguan-gangguan terjadi diluar zona yang melindungi (gangguan luar).
3) Kecepatan Operasi
Sifat ini lebih jelas, semakin lama arus gangguan terus mengalir, semakin besar kerusakan peralatan. Hal yang paling penting adalah perlunya membuka bagian-bagian yang terganggu sebelum generator-generator yang dihubungkan sinkron kehilangan sinkronisasi dengan sistem selebihnya. Waktu pembebasan gangguan yang tipikal dalam sistem-sistem tegangan tinggi adalah 140 ms.
Dimana mendatnag waktu ini hendak dipersingkat menjadi 80 ms sehingga memerlukan relay dengan kecepatan yang sangat tinggi (very high speed relaying)
4) Sensitivitas (kepekaan)
Yaitu besarnya arus gangguan agar alat bekerja. Harga ini dapat dinyatakan dengan besarnya arus dalam jaringan aktual (arus primer) atau sebagai prosentase dari arus sekunder (trafo arus)
5) Ekonomis
Dalam sistem distribusi aspek ekonomis hampir lebih diutamakan dari aspek teknis, asal saja persyaratan keamanan yang pokok dipenuhi, hal ini karena jumlah feeder, trafo dan sebagainya begitu banyak. Dalam sistem-sistem trtansmisi justru aspek teknis yang penting. Proteksi relatif mahal, namun demikian sistem atau peralatan yang dilindungi dan jaminan terhadap
Biasanya digunakan dua sistem proteksi yang terpisah, yaitu proteksi primer atau proteksi utama dan proteksi pendukung (back up)
6) Realiabilitas (keandalan)
Sifat ini jelas, penyebab utama dari “outage” rangkaian adalah tidak bekerjanya proteksi sebagaimana mestinya (mal operation).
7) Proteksi Pendukung
Proteksi pendukung (back up) merupakan susunan yang sepenuhnya terpisah dan yang bekerja untuk mengeluarkan bagian yang terganggu apabila proteksi utama tidak bekerja (fail). Sistem pendukung ini sedapat mungkin indenpenden seperti halnya proteksi utama, memiliki trafo-trafo dan rele-rele tersendiri. Seringkali hanya triping CB dan trafo-trafo tegangan yang dimiliki bersama oleh keduanya.
Tiap-tiap sistem proteksi utama melindungi suatu area atau zona sistem tenaga tertentu. Ada kemungkinan suatu daerah kecil diantara zona-zona yang berdekatan misalnya antara trafo-trafo arus dan circuit breaker-circuit breaker tidak dilindungi. Dalam keadaan seperti ini sistem back up (yang dinamakan remote back up) akan memberikan perlindungan karena berlapis dengan zona-zona utama.
Pada sistem distribusi aplikasi back up digunakan tidak seluas dalam sistem tansmisi, cukup jika hanya mencakup titik-titik strategis saja.
Remote back up bereaksi lambat dan biasanya memutus lebih banyak dari yang diperlukan untuk mengeluarkan bagian yang terganggu.
3. Proteksi hubung singkat
Kemungkinan gangguan hubung singkat pada jaringan sistim tenaga terjadi karena dua hal sebagai berikut:
1) Gangguan kegagalan isolasi; gagguan ini terjadi karena adanya tegangan lebih pada sistim yang biasanya terjadi karena sambaran petir atau surja hubung. Kerusakan isolator pada jaringan listrik juga dapat mengakibatkan hubung singkat, dan umumnya kerusakan isolator dimaksud karena proses tarik dan proses kendor kawat penghantar yang terjadi secara alami karena adanya perubahan iklim/cuaca.
2) Gangguan terkelupasnya isolasi karena pengaruh mekanik; Pada kawat penghantar jaringan listrik, gangguan bisa terjadi karena adanya tiupan angin yang kencang, atau bias juga terjadi karena bentangan kawat terlalu renggang.
Menentukan besarnya arus hubung singkat merupakan hal penting dalam menentukan proteksi sistim tenaga listrik. Untuk mendapatkan proteksi yang memadai dalam sistim tenaga listrik perlu mempertimbangkan besar kapasitas sistim tenaga listrik yang dapat mensuplay arus hubung singkat ke titik gangguan. Hal ini perlu diketahui karena alat proteksi fuse atau circuit breaker yang akan dipakai harus tahan terhadap kapasitas arus hubung singkat dari sistim tenaga listrik.
3.1. Jenis gangguan hubung singkat
Gangguan hubung singkat dalam sistim tenaga listrik dapat terjadi dalam kejadian-kejadian sebagai berikut:
1. Gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah 2. Gangguan hubung singkat dua fasa
3. Gangguan hubung singkat diantara dua fasa dan bersamaan dengan itu fasa yang ke tiga terhubung ke tanah.
4. Gangguan hubung singkat ketiga fasa
5. Gangguan hubung singkat ketiga fasa ke tanah
Keempat jenis gangguan hubung singkat yang pertama (nomor satau sampai dengan nomor empat), menghasilkan arus hubung singkat tidak simetris sedangkan dua jenis gangguan hubung singkat yang terakhir (nomor lima dan nomor enam) menghasilkan arus hubung singkat simetris.
Pemahaman terhadap konsep arus hubung singkat membekali kita untuk dapat memilih alat proteksi (circuit breaker dan relay) yang sesuai, misalnya ketika akan memilih kapasitas pemutusan circuit breaker yang sesuai maka analisanya harus didasarkan pada nilai arus hubung singkat simetris, sedangkan untuk menentukan penyetelan (setting) relay maka analisanya harus didasarkan pada nilai arus gangguan hubung singkat tidak simetris.
3.2. Arus hubung singkat simetris.
Besarnya nilai arus hubung singkat tergantung dua hal seperti penjelasan berikut ini:
1. Arus hubung singkat (Ihs) ditentukan oleh besarnya reaktansi gangguan (X) sampai ke titik gangguan. Bila tegangan fasa adalah E maka besarnya arus gangguan hubung singkat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut:
Ihs = (E/X) ampere
2. Besarnya arus hubung singkat tergantung pada besarnya kapasitas sistim tenaga yang dapat mensuplay arus hubung singkat dimaksud, semakin besar kapasitas sistim tenaga semakin besar pula arus hubung singkat yang disuplaynya, sebagai contoh perhatikan kedua gambar di bawah ini;
Gambar 2. 1 Hubungan Arus
Apabila sebuah motor tiga fasa 400 volt 40 HP dihubungkan ke rel (busbar) dalam dua kondisi sebagai berikut :
a) Dihubungkan melalui transformator daya 50 KVA, 400 V, Impedansi 0,1 ohm, cos dianggap 0,8 maka arus beban penuh motor dihitung menggunakan persamaan berikut;
I = (40x735,5)/(√3x400x0,8) = 53 ampere.
Kalau gangguan hubung singkat terjadi di titik gangguan F seperti ditunjukkan dalam gambar maka arus hubung singkat yang mengalir ke titik
Transformator daya 5000 kva, 400v, impedansi 0,01 ohm
Motor listrik CB Titik
Gangguan F
Transformator daya 50 kva, 400v, impedansi 0,1 ohm
Motor listrik CB
Rel/busbar Rel/busbar
Titik Gangguan F
gangguan hanya dibatasi oleh impedansi transformator saja. Besarnya arus hubung singkat yang disuplay oleh sumber (busbar dengan transformator daya 50 KVA) dihitung sebagai berikut;
Ihs = (E/X) ampere
= (tegangan fasa)/(impedansi sampai ke titik gangguan F) = (400/√3)/(0,1)
= 2310 ampere
Jadi circuit breaker CB harus mampu memutuskan arus hubung singkat sebesar 2310 ampere.
b) Dihubungkan melalui transformator 5000 KVA, 400V, impedansi 0,01 ohm, cos = 0,8 maka besarnya arus hubung singkat yang disuplay oleh sumber (busbar dengan transformator daya 5000 KVA) dihitung sebagai berikut;
Ihs = (E/X) ampere
= (tegangan fasa)/(impedansi sampai ke titik gangguan F) = (400/√3)/(0,01)
= 23100 ampere
Jadi circuit breaker CB harus mampu memutuskan arus hubung singkat sebesar 23100 ampere.
A.3.3. Arus hubung singkat simetris.
Nilai arus hubung singkat di titik gangguan pada sistim tenaga listrik dapat disuplay dari tiga sumber utama yaitu:
1) Generator listrik
2) Motor sinkron dan kondensator sinkron 3) Motor induksi.
Generator digerakkan oleh penggerak mula, oleh karena itu ketika terjadi gangguan hubung singkat, generator terus berjalan dengan kecepatan normal sehingga terus membangkitkan tegangan dan mensuplay arus hubung singkat yang besar ke titik gangguan.
Konstruksi motor sinkron sama seperti konstruksi alternator (generator). Motor ini juga memiliki medan penguat arus searah dan mengambil daya listrik dari generator dan mengubahnya menjadi daya mekanik, ketika terjadi gangguan hubung singkat tegangan sistim tenaga turun mendekati nol dan menghentikan
sinkron masih terus jalan karena adanya pengaruh inersiah sehingga motor seakan-akan bekerja sebagai generator dan mensuplay arus hubung singkat ke titik gangguan.
Gambar 2. 2 hubungan singkat arus
Motor induksi juga bekerja sebagai generator ketika terjadi gangguan hubung singkat, bedanya dengan motor sinkron adalah bahwa motor induksi tidak memiliki medan penguat arus searah.
Titik gangguan F
GENERATOR
MOTOR SINKRON
MOTOR INDUKSI
Arus Hubung singkat dari generator Perlengkapan hubung bagi
Arus hubung singkat dari motor induksi
Arus Hubung singkat dari motor sinkron
3.4. Reaktansi mesin berputar
Reaktansi mesin-mesin ini tidak sama seperti reaktansi transformator atau perlengkapan statis lainnya. Bila gangguan hubung singkat terjadi pada terminal generator maka dari pengamatan terlihat bahwa di awal-awalnya arus hubung singkat akan maksimum kemudian turun secara bertahap mencapai nilai steady state nya.Kondisi demikian terjadi karena reaktansi setiap mesin berputar yang berfungsi menahan arus hubung singkat nilainya berubah sejalan dengan perubahan waktu. Pengalaman praktis mengatakan setiap mesin berputar memiliki tiga jenis reaktansi sebagai berikut:
1. Reaktansi sub transien (X”d) 2. Reaktansi transien (X‟d) 3. Reaktansi sinkron (Xd)
Reaktansi sub transien adalah reaktansi nyata kumparan stator yang ada ketika awal-awal terjadinya gangguan hubung singkat, nilainya kecil sehingga untuk beberapa saat menyebapkan mengalirnya arus awal hubung singkat sub transien (I”) yang besar.
(I”) = (E/ (X”d)
Reaktansi transien nilainya lebih besar dari reaktansi sub transien, reaktansi ini mengontrol besarnya arus hubung singkat dalam periode transien sekitar setengah detik setelah awal terjadinya periode transien. Pada saat terjadinya gangguan hubung singkat pada terminal generator arus beban akan naik mencapai nilai terbesar, arus ini tertinggal 900 terhadap tegangannya, sehingga menyebapkan naiknya pemagnetan dan terbangkitnya reaksi jangkar yang mengakibatkan turunnya tegangan per fasa menjadi (E‟). Dengan demikian arus hubung singkat transien dihitung dengan persamaan sebagai berikut;
I’ = (E/X’d)
Reaktansi sinkron adalah reaktansi nya mesin berputar pada kondisi kerja normal dengan symbol (Xd) atau (Xd). Nilainya lebeih besar dari reaktansi sub transien (X”d) maupun reaktansi transien (X‟d). Arus hubung singkat yang dibangkitkan (Is) dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
Is = (E/Xs)
Arus hubung singkat (Is) ini muncul beberapa saat setelah terjadi gangguan hubung singkat, oleh karena itu tidak dapat digunakan memilih circuit breaker, fuse dan kontaktor tetapi digunakan untuk seting relay.
Gambar 2. 3 jaringan sistim tenaga listrik sederhana
Gambar di atas memperlihatkan sebuah jaringan sistim tenaga listrik sederhana mensuplay beban melalui saluran transmisi dan transformator daya, misalkan reaktansi masing-masing komponen sistim tenaga listrik sampai di titik gangguan telah dinyatakan dengan dasar KVA yang sama, apabila terjadi hubung singkat di titik gangguan maka arus hubung singkat yang disuplay
Transformator daya Dengan reaktansi X’2 ohm
Transformator daya Dengan reaktansi X’2 ohm
Rel/busbar
Generator pembangkit dengan reaktansi X1
G
Saluran transmisi denganreaktansi X’3 ohm
CB Rel/busbar
Titik Gangguan
X4 F
generator akan ditahan oleh reaktansi generator itu sendiri, reaktansi saluran transmisi, reaktansi transformator dan reaktansi feeder sampai ke titik gangguan.
Ihs = (E)/( X1 + 2X‟2 + X‟3 + X4
Kalau 2X‟2 + X‟3 = X2maka besarnya arus hubung singkat (Ihs) sebagai berikut:
Ihs = (E)/( X1 + X2 + X4 )
Bila kapasitas sistim tenaga lebih besar terdiri dari tiga generator melayani beban melalui dua saluran transmisi parallel yang sama dan empat buah tranformator daya seperti dalam gambar berikut ini,
Gambar 2. 4 jaringan sistim tenaga listrik sederhana
Transformator daya Dengan reaktansi X2
ohm
Transformator daya Dengan reaktansi X2
ohm
Generator pembangkit dengan reaktansi X1
Rel/busbar
Saluran transmisi denganreaktansi X3 ohm
G G
G
CB Rel/busbar
Titik Gangguan F
Saluran transmisi denganreaktansi X3 ohm Transformator daya
Dengan reaktansi X2
ohm
Transformator daya Dengan reaktansi X2
ohm
Generator pembangkit dengan reaktansi X1
Generator pembangkit dengan reaktansi X1
X4
dan misalkan reaktansi masing-masing komponen sistim tenaga listrik sampai di titik gangguan telah dinyatakan dengan dasar KVA yang sama, maka arus hubung singkat yang disuplay generator akan ditahan oleh reaktansi generator itu sendiri, reaktansi saluran transmisi, reaktansi transformator dan reaktansi feeder sampai ke titik gangguan. Besarnya arus hubung singkat dimaksud adalah:
Ihs = {(E)/[( X1 )/3 + (X2 ) + (X3)/2 + X4 )]}
Terlihat dari persamaan arus hubung singkat di atas bahwa semakin besar kapasitas sistim tenaga listrik semakin besar pula potensi untuk mengalirkan arus hubung singkat ke titik gangguan.
3.5. Beberapa pengertian dalam perhitungan arus hubung singkat.
Umumnya dalam perhitungan-perhitungan arus hubung singkat dinyatakan dalam nilai prosentasi. Berikut ini dibahas beberapa pengertian dasar yang diperlukan untuk menganalisa perhitungan arus hubung singkat.
1. Prosentasi resistansi
Prosentasi resistansi (Rp ) dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut;
Rp = [(IR)/V]x 100
Dimana :
a. Rp = prosentasi resistansi
b. R = resistansi dalam satuan ohm c. I = arus beban penuh
d. V = tegangan normal 2. Prosentasi reaktansi
Prosentasi reaktansi (Xp) dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut;
Xp = [(IX)/V] 100
Dimana :
a. Xp = prosentasi reaktansi
b. X = reaktansi dalam satuan ohm c. I = arus beban penuh
d. V = tegangan normal
Berdasarkan persamaan prosentasi reaktansi di atas dapat juga ditulis persamaan sebagai berikut;
X = [(Xp ).V)/I.100] ohm = [(Xp ).V)/I.100]. (V)/(V) ohm
= [(Xp ).V2)/IV.100]. ohm
= [(Xp ).tegangan)2/ (output dalam Volt ampere).100]. ohm
Apabila tegangan dan kapasitas sistim tenaga listrik masing-masing dinyatakan dalam KV dan KVA maka persamaan di atas ditulis sebagai berikut :
X = [(Xp ).(KV)2.10/KVA] ohm
Bila (KVA) dasar ditulis sebagai (KVA)b maka nilai prosentasi reaktansi Xp pada KVA dasar ini adalah sebagai berikut;
Xp = [(X).(KVA)b/ 10(KV)2 ]
3. KVA dasar (KVA)b
Semua komponen jaringan sistim tenaga listrik terpasang secara parallel, Generator, saluran transmisi/distribusi maupun transformator memiliki kapasitas KVA berbeda-beda, semua prosentasi resistansi maupun reaktansi komponen- komponen jaringan itu didasarkan pada ukuran kapasitas KVA masing-masing, oleh karena itu untuk mendapatkan kombinasi efek dari keseluruhan prosentasi reaktansi yang ada dalam sistim tenaga maka semuanya perlu didsarkan pada satu KVA dasar yang sama yaitu (KVA)b. Memilih (KVA)b dapat dilakukan dengan beberapa cara sebagai berikut:
a) Memilih kapasitas KVA terbesar dari peralatan yang ada dalam jaringan sistim tenaga
b) Memilih kapasitas KVA yang diperoleh dari hasil penjumlahan KVA semua peralatan yang ada dalam jaringan sistim tenaga
c) Memilih kapasitas KVA yang ditentukan sendiri untuk mempermudah perhitungan
Prosentasi reaktansi (Xp) setiap peralatan pada KVA nya dapat dikonversi nilai reaktansinya pada KVA dasar yang dipilih (KVA)b dengan cara sebagai berikut:
(Xp) pada (KVA)b = {[(KVA)b].[(Xp) pada (KVA) peralatan]/ (KVA) Peralatan.
Sebagai contoh sebuah transformator daya dengan kapasitan 10000 KVA memiliki prosentasi reaktansi 5%, Berapakah nilai prosentasi reaktansinya bila dikonversi ke dalam KVA dasar yang dipilih yaitu (KVA)b = 25000.
Perhitungannya dapat dilakukan menggunakan persamaan di atas yaitu;
(Xp) pada (KVA)b = {[(KVA)b].[(Xp) pada (KVA) peralatan]/ (KVA) peralatan (Xp) pada (KVA)b = {[25000].[ 5]/ 10000 = 12,5 %
3.6. Cara-cara Menghitung kVA hubung singkat
Langkah-langkah menghitung arus hubung singkat adalah sebagai berikut :
1. Gambarlah diagram garis tunggal jaringan sistim tenaga listrik yang memperlihatkan semua komponen jaringan lengkap spesifikasi yang dimilikinya seperti kapasitas KVA, tegangan kerja, resistansi dan reaktansinya. Pada saluran transmisi biasanya disebutkan ukuran dan jenis hantaran yang digunakan serta jarak peletakannya di menara penopang, berdasarkan data ini dapat dihitung resistansi, induktansi dan juga reaktansi yang diperlukan untuk penganalisaan arus hubung singkat.
2. Konversi nilai tahanan dan reaktansi dari generator dan transformator ke dalam nilai prosentasinya
3. Pilihlah kVA dasar dan konversi setiap nilai tahanan dan reaktansi dari plant kVA ke dalam kVA dasar
4. Bilamana semua reaktansi telah dinyatakan dalam kVA dasar yang sama, maka hitunglah reaktansi total sampai pada titik gangguan.
5. Perhitungan kVA hubung singkat adalah sebagai berikut : KVA hubung singkat = (100)(KVA)b / (Xp)
Harga rms arus hubung singkat = (KVA hubung singkat) / (√3)KV Bila reaktansi dinyatakan dalam satuan ohm maka;
Harga rms arus hubung singkat = (tegangan) / (√3)( reaktansi total) KVA hubung singkat = (√3)( arus hubung singkat)(tegangan)/ (1000) 3.7. Sistim per-unit
Sistim per-unit adalah metoda untuk mengekspresikan parameter dalam nilai per-unit sebagai berikut:
Per-unit = [suatu parameter]/ (parameter dasarnya
Menyatakan besaran listrik seperti tegangan, arus dan impedansi dalam sistim per- unit,dilakukan dengan memilih suatu bilangan untuk:
1. Tegangan dasar dan Ampere dasar atau 2. KV dasar dan KVA
a. Kasus ke-1
Misalkan dari suatu sistim tenaga, sudah dipilih volt dasar dan ampere dasar.
Selanjutnya volt dasar adalah Vb dan ampere dasar adalah Ib dua-duanya adalah nilai per fasa.
Dasar ohm (Zb) = (volt dasar)/ (ampere dasar) = (Vb ) / (Ib)
Per-unit volt (Vu) = (volt)/(volt dasar) Per-unit ampere = (ampere)/ (ampere dasar) Per-unit ohm(Zu) =(ohm)/(ampere dasar) b. Kasus ke-2
Pilih KVA dasar yaitu (KVA)b tegangan dasar Yaitu (KV)b, dengan demikian:
Ampere dasar (Ib) = (KVA)b / √3(KV)b Dasar ohm (Zb) = [(KV)b.(1000)/ √3] / [(Ib)]
= [(KVb)2(1000)/ (KVA)b Per-unit ohm(Zu) = (ohm)/(ohm dasar)
= {[ohm] / [(KVb)2(1000)/ (KVA)b]}
= {(ohm)(KVA)b / [(KVb)2(1000)}
Contoh
Dua buah generator pembangkit A dan B bekerja parallel untuk melayani beban. Data kedua generator tersebut sebagai berikut;
Generator A berkapasitas 8000 KVA , Xp = 8%
Generator B berkapasitas 10000 KVA , Xp = 10%
Kedua pembangkit ini dihubungkan ke jaringan transmisi 2500 km melalui transformator daya berkapasitas 10000 KVA, Xp = 5,5%. Resistansi dan reaktansi saluran transmisi per kilo meter masing-masing adalah 0,002 ohm dan 0,015 ohm.
Transmisi ini doperasikan dengan tegangan kerja 66 KV. Hitunglah KVA hubung singkat apabila hubung singkat ketiga fasa terjadi di:
a. Sisi penerima b. Sisi pengirim
Transformator daya 10000 KVA, Xp = 5,5%
Generator 10000 KVA, Xp =10%
B A
Generator 8000 KVA, Xp =8%
Rel/busbar di sisi pembangkit
Saluran tr
Titik Gangguan
F Rel/busbar di sisi
pengirim 66 KV
Gambar 2. 5 Transmisi
Jawab.
Gambar diagram satu garisnya sebagai berikut;
Gambar 2. 6 diagram Resistansi total saluran transmisi = 0,002 x 2500
= 5 ohm Reaktansi total saluran transmisi = 0,015 x 2500
= 37,5 ohm
X XT
XGB
XGA
Titik gangguan
N
Titik gangguan
(KVA)b yang dipilih adalah 10000 KVA, konversikan semua nilai resistansi dan reaktansi peralatan pada rating KVA nya kedalam (KVA)b terpilih sebagai berikut;
Reaktansi generator A (XGA) = (10000)x8/(8000)
= 10%
Reaktansi generator B (XGB) = (10000x10)/(10000)
= 10%
Generator A dan B terhubung paralel, oleh karena itu total reaktansinya (XG) adalah XG = (XGA)( XGB) / (XGA + XGB)
= (8)( 10) / (8 + 10) = 4,44 %
Reaktansi transformator (XT) = (10000x5,5)/(10000) = 5,5 %
Apabila gangguan terjadi di sisi pengirim jaringan transmisi maka t otal prosentasi reaktansi sampai ke titik gangguan dimaksud (XP.Tot) adalah sebagai berikut;
(XP.Tot) = (XG) + (XT) = 4,44 + 5,5 = 9,94
KVA hubung singkat = [(100)/(9,94)][10000]
= 100500 KVA = 100,5 MVA
Apabila gangguan terjadi di sisi penerima jaringan transmisi maka total prosentasi reaktansi sampai ke titik gangguan dimaksud (XP.Tot) dihitung dengan prosedur sebagai berikut :
Arus beban pada KVA dasar (IBP) untuk tegangan jaringan 66 KV adalah sebagai berikut;
(IBP) = (10000)/ (√3)(66) = 87,5 A
Prosentasi resistansi saluran transmisi (RP) dihitung sebagai berikut;
(RP) = [(IR).100]/ V
= [(87,5)(5) (√3)][100] / (66000) = 1,15 %
Prosentasi reaktansi saluran transmisi (XPT) dihitung sebagai berikut
14 = 8,62%
Total prosentasi resistansi sampai ke titik gangguan (RP.Tot) = 1,15%
Total prosentasi reaktansi sampai ke titik gangguan (XP.Tot) = (9,94 + 8,62)% = 18,56%
Total prosentasi impedansi sampai ke titik gangguan (ZP.Tot) dihitung sebagai berikut;
(ZP.Tot) = √ (RP.Tot)2 + (XP.Tot)2 = √ (1,15)2 + (18,56)2 = 18,6
KVA hubung singkat = [(100)/(18,6)][10000]
= 5378 KVA = 5,378 MVA 4. Proteksi Beban Lebih (overload)
“Arus Batas” (Current Rating) dari elemen sekering dan circuit breaker tidak akan melampui kapasitas arus yang mengalir pada konduktor/ komponen listrik yang diproteksi. Arus batas dari alat proteksi adalah suatu harga arus yang sanggup secara terus menerus mengalirkan arus tanpa kerusakan, jika terjadi beban lebih , arus yang tinggi dari batas normal akan membangkitkan panas pada konduktor yang sebanding dengan kwadrat arus dan waktu (H = I2t)
Proteksi beban lebih sensitif terhadap temperatur. Waktu pemutusan menjadi berkurang pada temperatur ruang yang tinggi dari pada temperatur yang rendah.
Kenaikan temperatur kabel tidak melampaui batas aman. Temperatur maksimum kabel biasanya didasarkan pada temperatur sekitar maksimum 40oC.
Peralatan proteksi beban lebih harus sanggup terus menerus beroperasi pada batas arus nominal dan harus trip pada batas waktu maksimum 2 jam untuk arus 125% arus nominal atau maksimum 3 detik untuk 600% arus nominal. Inverse- time characteristic biasanya menggunakan circuit breaker yang sampai dengan 10 kali arus nominal. Dimana pada harga ini akan memutus dengan segera.
5. Gambaran Umum Sistem Pembumian
Terdapat empat alasan utama mengapa suatu instalasi listrik harus dilengkapi dengan sistem pembumian :
Agar alat proteksi Circuit Breaker (CB) capat bekerja memutuskan gangguan dari sumber listrik
Menstabilkan tegangan kerja jaringan listrik.
Untuk mengamankan manusia dan peralatan dari bahaya arus lebih dan hubung singkat.
Agar peralatan dapat berfungsi dengan benar.
Pemilihan dengan benar material/bahan dan pemasangan, maka akan dapat memenuhi keempat kreteria diatas. Agar sistem pembumian dapat bekerja secara efektif, harus memenuhi syarat-syarat sebagai berikut :
Membuat jalur impedansi yang rendah ke bumi.
Dapat melawan dan menyebarkan gangguan yang berulang-ulang dan arus akibat surja.
Menggunakan sistem mekanik yang kuat dan mudah dalam pelayanannya.
Dapat dipakai dalam jangka waktu minimal 30 tahun atau lebih.
5.1.Bahaya Kebocoran Isolasi
Perlunya pembumian yang baik adalah untuk mengatasi bahaya-bahaya yang ditimbulkan karena kebocoran Isolasi pada rangkaian instalasi. Bahaya-bahaya yang dimaksud antara lain :
Bahaya yang mengancam keselamatan hidup manusia karena adanya sengatan listrik.
Bahaya yang mengakibatkan rusaknya peralatan.
Bahaya kebakaran.
Bahaya tidak stabilnya tegangan suplai ke peralatan.
1. Bahaya Sengatan Listrik
Bahaya sengatan listrik dapat terjadi jika pada peralatan yang mengalami gangguan kegagalan isolasi ke badannya tidak disalurkan dengan baik ke bumi karena sistem pembumian yang tidak memadahi.
Sistem pembumian yang baik adalah sistem yang memiliki tahanan pembumian yang sekecil mungkin. Jadi apabila terjadi gangguan kegagalan isolasi ke badan peralatan maka arus bocor yang ditimbulkan dapat dengan cepat diputuskan oleh pengaman sekring atau pemutus tenaga (MCB atau ELCB). Dengan demikian manusia yang menyentuh peralatan tadi tidak mendapat sengatan
Gambar 2. 7 Bagian-bagian yang dilintasi arus gangguan.
Berbeda halnya jika nilai tahanan pembumian tidak memadahi (besar), maka badan manusia berfungsi sebagai jalur arus gangguan kebocoran tadi, sehingga dalam kondisi demikian dapat dikatakan manusia mendapat sengatan listrik.
Seberapa kecil tahanan pembumian yang diperlukan dalam sistem pembumian adalah sulit ditetapkan dengan pasti, tetapi pada dasarnya yang dapat dijadikan sebagai pegangan adalah, bahwa suatu sistem pembumian yang baik adalah yang memiliki tahanan pembumian yang sekecil mungkin. Untuk pengamanan terhadap manusia dan peralatan tertentu, maka dianjurkan tahanan pembumian lebih kecil dari satu ohm . Sedangkan untuk gardu-gardu listrik di daerah transmisi, nilainya tidak melebihi satu ohm, dan untuk gardu-gardu distribusi tidak melebihi.
Besarnya arus gangguan kebocoran isolasi yang mengalir dalam tubuh manusia tergantung pada besarnya tegangan sentuh dan lama waktu sentuhan seseorang dengan bagian instalasi yang terganggu. Hal tersebut dapat dipahami dengan hukum ohm
(U = I x R), dimana U adalah tegangan sentuh, R adalah tahanan badan manusia dan I adalah arus yang mengalir ke tubuh manusia. Hubungan antara tegangan sentuh dan tahanan badan manusia diperlihatkan pada tabel berikut ini.
L3 N L2 L1
Peralata n Sekring
Hubung singkat ke badan peralatan
Tabel 2. 1 Tegangan sentuh yang dianggap aman.
Tegangan Sentuh Efektif (volt)
Tahanan Badan Manusia (ohm)
25 2500
50 2000
250 1000
Harga asimptot 650
Tabel 2. 2 Hubungan antara tegangan sentuh dengan waktu sentuhan maksimum yang diizinkan adalah sebagai berikut:
Tegangan Sentuh (volt) Waktu Maksimum Pemutusan Hubungan (detik) Lebih kecil dari 50 Tak terhingga
50 5
75 1
90 0,5
110 0,2
150 0,1
220 0,05
280 0,03
Batas maksimum arus yang boleh lewat melalui badan pria dan wanita dewasa berkulit kering masing-masing adalah 10 mA dan 8 mA, sedangkan arus sebesar 100 mA dapat membawa pengaruh yang fatal.
2. Bahaya Kebakaran
Arus gangguan yang besar dapat menimbulkan kebakaran karena panas yang terjadi selama mengalirnya arus gangguan, adalah sebagai berikut :
H = I2Rt Joule
Dimana :
H = panas yang terjadi dalam satuan joule.
I = Arus gangguan dalam satuan ampere.
R = Tahanan alat atau meterial yang dilewati arus gangguan.
T = waktu selama mengalirnya arus gangguan dalam satuan detik.
Pembumian yang efektif dan memadahi dapat mengurangi terjadinya bahaya kebakaran, yaitu jika ada kesalahan (kebocoran arus ke tanah) terjadi, maka pada pembumian yang efektif akan didapatkan besar arus yang dapat mengoperasikan alat pengaman dengan cepat untuk mengisolasi kesalahan sebelum terjadi kebakaran.
3. Bahaya Ketidakstabilan Tegangan Sumber
Penyanmbungan sistem pembumian disisi konsumen dengan netral di sisi sumber adalah untuk meyakinkan agar besar tegangan supply tetap stabil terhadap tanah. Kestabilan tegangan tersebut tidak akan didapatkan pada sistem yang tidak dibumikan, dimana arus kesalahan akan tetap ada dan akan ada perbedaan potensial antara titik netral terhadap tanah. Gambar. 1.2 menujukan sebuah gambar sistem supply yang tidak ditanahkan.
Jika terjadi kesalahan yaitu berupa salah satu fasa hubung singkat dengan tanah, maka akan didapatkan adanya tegangan 220 V terhadap netral dan 380 V terhadap dua kawat fasa yang tidak terganggu. Dalam kondisi ini tidak ada satupun pengaman arus lebih (sekring atau pemutus tenaga) yang bekerja, sehingga akan membahayakan manusia.
Gambar 2. 8 Gangguan tanah pada sistem yang netralnya tidak dibumikan
Gambar 2. 9 Gangguan tanah pada sistem yang netralnya dibumikan.
Jika netral dari sistem dibumikan secara langsung seperti ditunjukan pada ganbar 1.3 , maka akan terjadi hubung singkat fasa dengan netral melalui bumi . Dan ini akan mengakibatkan peralatan pengaman seperti sekring atau pemutus tenaga akan beroperasi.
5.2. Sifat Elektroda Pembumian
Besar tahanan pembumian suatu elektroda pembumian akan sangat tergantung oleh
Elektroda pembumian itu sendiri.
Cara penyambunganya dengan pengelasan atau diikat dengan baut.
Tahanan kontak antara elektroda dengan tanah disekelilingnya.
Tahanan tanah di sekeliling elektroda pembumian.
Dengan demikian dalam perencanaan suatu sistem pembumian keempat faktor di atas perlu mendapat perhatian khusus. Ada beberapa macam elektroda yang dipakai untuk pembumian dan biasanya pemilihan didasarkan pada kondisi struktur tanah dimana elektroda itu akan dipasang, jenis elektroda yang sering dipakai antara lain Elektroda batang
Elektroda pita
L1 L2 L3
380 V 380
V 220
V
L1 L2 L3
220 V 220
V 0
V
Elektroda pelat
Sebagai contoh sebuah elektroda batang yang dipancangkan dalam tanah pada kedalaman tertentu mempunyai sifat-sifat sebagai berikut : besar tahanan pembumian suatu sistem pembumian seperti telah disebutkan di atas salah satunya ialah tergantung pada tahanan tanah di sekeliling elektroda. Besar tahanan ini sangat sulit diperhitungkan karena dipengaruhi oleh beberapa faktor.
Dalam sistem pembumian besar tahanan tanah dengan ketebalan sama yang ada di dekat dengan elektroda pembumian mempunyai harga yang lebih besar jika dibandingkan dengan yang jauh dengan elektroda. Ini dikarenakan tanah yang dekat dengan elektroda pembumian mempunyai permukaan yang lebih sempit.
Semakin jauh dari elektroda semakin kecil tahanan tanahnya , sehingga pada jarak tertentu yang jauh dari elektroda sudah tidak lagi menambah besar tahanan pembumian.
Jarak antara elektroda dengan tempat dimana tahanan tanah sudah tidak berpengaruh lagi
terhadap penambahan besar tahanan pembumian disebut dengan “Daerah Tahanan Efektif”.
Untuk jelasnya lihat ilustrasi gambar. 2.10 di bawah ini. Jika ada arus yang mengalir pada sistem pembumian akibat adanya hubung singkat terhadap bumi, maka tanah di sekeliling elektroda ada gradien tegangan tanah. Gradien tahanan tanah pada tempat yang dekat dengan elektroda harganya lebih besar jika dibandingkan dengan yang jauh dari elektroda.
Gambar 2. 10 Daerah tahanan efektif
Gambar 2. 11 Daerah tahanan efektif
UE adalah tegangan elektroda pembumian, yaitu tegangan antara sistem pembumian dan elektroda pembumian.
UB adalah tegangan sentuh, yaitu bagian tegangan dari elektroda pembumian yang dapat dijembatani oleh manusia, dimana arus mengalir melalui tubuh manusia dari tangan ke kaki.
US adalah tegangan langkah, yaitu bagian dari tegangan elektroda pembumian yang
dapat dijembatani oleh ,manusia, dimana arus mengali dari kaki ke kaki.
5.3. Faktor-faktor Yang Berpengaruh Terhadap Sistem Pembumian
Ada beberapa rumus yang dipakai untuk menghitung tahanan pembumian suatu elektroda pembumian. Sebagai contoh rumus yang telah dikembangkan oleh Prof.
HB Dwight dari Institute Technology Massachusets, untuk menghitung besar tahanan pembumian yang menggunakan elektroda batang.
Dimana :
= tahanan jenis tanah rata-rata (ohm-cm) L = panjang elektroda batang (cm)
4 1
2 ln a L R L
a = jari-jari elektroda (cm) R = Tahanan pembumian (ohm)
Dari rumus di atas diketahui ada beberapa faktor yang mempengaruhi besarnya tahanan
pembumian, antara lain : panjang, diameter, dan tahanan jenis tanahnya.
Dari ketiga faktor seperti tekah disebutkan di atas, tahanan jenis tanah adalah merupakan
salah satu faktor kunci yang paling menentukan/berpengaruh terhadap besar kecilnya
tahanan pembumian.
Tahanan jenis tanah besarnya sangat bervariasi, karena tergantung oleh beberapa hal, antara lain :
1) Komposisi Tanah
Untuk jenis tanah yang mempunyai komposisi yang berbeda akan memberikan besarnya tahanan jenis yang berbeda pula. Tabel di bawah menunjukan besar tahanan jenis rata-rata tanah untuk beberapa macam jenis tanah.
Tabel 2. 3 Tahanan jenis rata-rata tanah
Jenis Tanah Tahanan Jenis Tanah (ohm-cm)
Rawa-rawa 200 s/d 270
Tanah Liat 400 s/d 15000
Berkapur 6000 s/d 80.000
Pasir 9.000 s/d 80.000
Tanah berbatu-batu 20.000 s/d ke atas
Batu kerikil 30.000 s/d 50.000
Batu 100.000 s/d ke atas
Dengan mempelajari data-data pada tabel di atas, maka apabila mungkin pada jenis tanah yang kering, batu kerikil, berbatu dalam pemasangan pembumian sebaiknya dihindari sebab akan memberikan tahanan pembumian yang besar.
2) Kelembaban Tanah
Semakin tinggi kelembaban tanah, maka tahanan tanahnya semakin kecil.Dengan demikian dalam pemasangan elektroda sedapat mungkin hingga mencapai pada
kedalaman yang cukup dan usahakan mencapai tingkat kelembaban yang permanen dalam tanah.
3) Komposisi Kimiawi Tanah
Kandungan kimiawi dalam tanah juga akan berpengaruh terhadap tahanan jenis tanah, seperti contohnya bahan-bahan mineral dan garam-garam.
4) Temperatur
Jika terdapat temperatur yang sangat rendah di permukaan tanah, pada lapisan tanah bagian atas dapat menjadi beku. Jika sebuah elektroda yang dibenamkan dalam tanah terlalu dekat dengan permukaan sistem pembumian menjadi tidak efektif.
5) Musim
Karena tahanan pembumian dipengaruhi oleh temperatur dan kelembaban tanah, maka dapat diasumsikan pula bahwa tahanan pembumian besarnya berubah sesuai dengan perubahan musim. Di bawah adalah contoh grafik yang menunjukan perubahan besar tahanan pembumian terhadap perubahan waktu (musim).
Gambar 2. 12 grafik hubungan antara tahanan pembumian terhadap perubahan waktu (musim).
5.4. Memilih Elektroda Yang Tepat
Terdapat beberapa jenis elektroda yang dipakai untuk pembumia, antara lain : 1. Elektroda Batang
Elektroda batang yang dipakai untuk pembumian dibuat dari beberapa macam material, tetapi secara umum terbuat dari :
Tembaga pejal
Baja galvanis
Baja stainles
Cara pemasangan jenis elektroda ini adalah dengan memancangkan ke dalam tanah pada kedalaman tertentu, dan yang baik adalah hingga mencapai pada kelembaban yang permanen dalam tanah.
Untuk mendapatkan tahanan pembumian yang kecil suatu pembumian yang menggunakan elektroda batang paling efektif adalah dengan cara
memancangkan elektroda lebih dalam, atau dengan cara memparalelkan dua buah elektroda atau lebih.
Suatu hal yang perlu diperhatikan bahwa dalam memparalelkan elektroda adalah jarak antar elektroda tidak boleh kurang dari dua kali panjang elektroda . Jika untuk memperkecil tahanan pembumian dengan menggunakan cara memperbesar diameter elektroda adalah kurang tepat, karena apabila dengan melipat duakan ukuran diameter elektroda hanya akan mengurangi tahanan pembumian 10%.
Gambar 2. 13 grafik hubungan antara tahanan pembumian terhadap diameter elektroda pasak (mm).
Dibawah adalah grafik yang menunjukan hubungan antara tahanan pembumian yang menggunakan elektroda batang dengan kedalaman pemancangan.
Gambar 2. 14 grafik hubungan antara tahanan pembumian terhadap kedalaman pemancangan (m).
2. Elektroda Pita
Elektroda pita ini terbuat dari suatu hantaran berbentuk pita atau berpenampang bulat, dan pada umumnya jenis elektroda ini dibenamkan dalam tanah secara dangkal. Walaupun dibenamkan secara dangkal tetapi jangan terlalu dekat dengan permukaan tanah, kira-kira 0,5 – 1 m.
Elektroda jenis ini dalam pemasanganya dapat dilakukan dengan beberapa cara, antara lain : memanjang, radial, melingkar, atau kombinasi antara radial dan melingkar
Gambar 2. 15 cara pemasangan elektroda pita
Untuk memperkirakan besar tahanan pembumian yang menggunakan elektroda pita dapat dipakai rumus :
2 L
Dimana :
L = Panjang elektroda pita (m) a = Jari-jari elektroda
D = Kedalaman pemasangan elektroda (m)
Kalau kita evaluasi dari rumus di atas untuk memperkecil tahanan pembumian yang menggunakan elektroda pita adalah dengan menambah panjang elektroda.
Grafik di bawah menunjukan hubungan antara besar tahanan pembumian yang menggunakan elektroda pita dengan panjang elektroda.
Gambar 2. 16 grafik hubungan antara besar tahanan pembumian dangan panjang elektroda
c. Rangkuman
Proteksi dan automatic tripping Circuit Breaker (CB) dibutuhkan untuk:
1. Mengisolir peralatan yang terganggu agar bagian-bagian yang lainnya tetap beroperasi seperti biasa.
2. Membatasi kerusakan peralatan akibat panas lebih (overheating), pengaruh gaya mekanik dan sebagainya.
Proteksi harus dapat menghilangkan dengan cepat arus yang dapat mengakibatkan panas yang berkelebihan akibat gangguan
H = I2R×t Joules
Peralatan proteksi selain sekering adalah peralatan yang dibentuk dalam suatu system koodinasi relay dan circuit breaker
Peralatan proteksi dipilih berdasarkan kapasitas arus hubung singkat
„Breaking capacity‟ atau „Repturing Capcity‟.
Selain itu peralatan proteksi harus memenuhi persyaratansbb:
1. Selektivitas dan Diskriminasi 2. Stabilitas
3. Kecepatan operasi 4. Sensitivitas (kepekaan).
5. Pertimbangan ekonomis.
6. Realibilitas (keandalan).
7. Proteksi pendukung (back up protection)
d. Tugas
Tugas Latihan
1. Sebutkan faktor-faktor yang mempengaruhi besar kecilnya nilai tahanan pembumian ?
2. Jelaskan mengapa besar tahanan pembumian setiap saat (dalam jangka satu tahun) dapat berubah-ubah, dan bagaimanan cara menyingkapi fenomena ini ?
3. Sebutkan beberapa cara untuk memperkecil tahanan pembumian ?
4. Jelaskan mengapa pembumian yang tidak baik dapat mempengaruhi kestabilan tegangan sumber ?
Tugas Praktek 1
PENGUJIAN TAHANAN PEMBUMIAN SEBUAH ELEKTRODA PEMBUMIAN A. Tujuan :
Setelah mendapatkan teori singkat dan petunjuk praktis, diharapkan petatar dapat : 1. Melakukan pengujian suatu tahanan pembumian dengan menggunakan Earth-
tester.
2. Memperkirakan besar tahanan pembumian yang menggunakan elektroda batang, melalui perhitungan matematis.
3. Menggambarkan grafik R = f (L ) dan R = f (d) , sesuai dengan data yang diperoleh dari hasil percobaan.
B. Teori :
Sebagian besar sistem supply 3 fasa beroperasi dengan titik netral di sisi sumbernya dibumikan. Dengan demikian sistem pembumian harus dirancang atau direncanakan dengan benar, agar sistem pembumian dapat bekerja efektif untuk melindungi rangkaian, instalasi listrik, dan manusia terhadap bahaya tegangan sentuh apabila terjadi gangguan berupa kebocoran tanah dalam sistem.
Suatu pembumian yang menggunakan elektroda batang, maka besar tahanan pembumian dipengaruhi oleh beberapa hal, yaitu :
1. Tahanan elektroda itu sendiri dan sambungannya.
1. Tahanan kontak antara elektroda dengan tanah sekitarnya dan 2. Tahanan tanah di sekelilingnya.
Atau dengan menggunkan rumus pendekatan besar tahanan pembumian dapat ditentukan dengan persamaan :
Dimana :
R = Tahanan pembumian ()
= Tahanan jenis rata-rata tanah (-cm)
a = Jari-jari batang elektroda (cm) L = Panjang batang elektroda
4 1
2 a
L L
R L n
Alat dan Bahan
1. Elektroda batang 2. Kawat BC 10 mm2 3. Earth-tester 4. Palu (5 kg) 5. Rol meter
6. Kabel penghubung Langkah Kerja
1. Persiapkan semua alat dan bahan yang diperlukan.
2. Rangkailah earth tester, seperti ditunjukan pada gambar rangkaian percobaan di bawah.
3. Tancapkan elektroda pembumian sedalam 10 cm, kemudian ujilah tahanan pembumianya.
4. Setelah pengujian pertama selesai, perdalam lagi penancapannya hingga kedalaman
20 cm, dan seterusnya setiap penambahan kedalaman 10 cm uji kembali tahanan pembumianya.
5. Cantumkan data yang diperoleh dari setiap pengujian pada tabel 1.
6. Setelah elektroda tertancap semua, pindahkan elektroda bantu P dan dekatkan kira-kira dengan jarak 15 cm dari elektroda pembumian, lalu lakukan pengujian.
7. Kemudian pindahkan lagi elektroda bantu P sejauh 30 cm dari elektroda pembumian, dan lalu lakukan pengujian lagi. Untuk langkah selanjutnya tambahlah jarak dengan pertabahan yang lebih besar, dan ujilah setiap perubahan jara.
8. Catat data hasil percobaan dalam tabel 2.
9. Cabut kembali elektroda pembumian dan kembalikan semua peralatan dan bahan pada tempat semula.
E. Gambar Percobaan
Gambar 2. 17 percobaan
Tabel 2. 4 percobaan 1 Kedalaman
penancapan elektroda (cm)
Tahanan pembumian R ()
Tabel 2. 5 percobaan 2 Jarak antara elektroda
pembumian dengan elektroda bantu P (cm) Tahanan pembumian R ()
Tugas dan pertanyaan Earth
tester
Elektroda pembumian
Elektroda bantu
Elektroda bantu
10 m 10 m
1. Gambar grafik R = f (L) dan R = f (d).
2. Hitung besar tahanan pembumian secara teoritis berdasarkan data yang diperoleh di tabel 1.
3. Buatlah kesimpulan dari hasil percobaan yang telah saudara lakukan.
Test kegiatan belajar 1
A. Isian (Essay)
1. Sebutkan tiga macam bahaya akibat adanya gangguan kegagalan isolasi dan yang dapat diatasi dengan sistem pembumian yang baik.
2. Bagaimana suatu sistem pembumian dikatakan baik jika dilihat dari sudut tahanan pembumian.
3. Sebutkan koordinasi kerja antara sistem pembumian dan MCB atau sekring.
4. Berapa panas yang dapat menimbulkan bahaya kebakaran karena gangguan arus I ampere dari suatu penghantar R ohm selama selang waktu t detik.
5. Bagaimana caranya membuat tegangan di sisi konsumen tetap stabil apabila ketidakstabilan dimaksud disebabkan oleh sistem pembumian.
6. Sebutkan beberapa gangguan yang dapat mengakibatkan sistem pembumian bekerja.
7. Bolehkah bagian logam dari suatu peralatan yang telah dibumikan dengan baik dijadikan sebagai pembumian peralatan lain.
Kesimpulan
Pembumian instalasi listrik memegang peranan penting dalam mempertahankan keandalan penyaluran dsaya listrik secara berkesinambungan, karena dengan pembumian yang baik maka kestabilan tegangan dapat dipertahankan, disamping itu bahaya-bahaya kegagalan isolasi pada salah satu bagian instalasi dapat dengan cepat diputuskan oleh alat pengaman sekring maupun pemutus tenaga, sehingga tidak mengganggu bagian-bagian yang lain dari instalasi dimaksud.
Kunci Jawaban Tugas Latihan
