PENGUKURAN TAHANAN GRID PEMBUMIAN PADA MODEL LAPISAN TANAH YANG TIDAK UNIFORM

PENGUKURAN TAHANAN GRID PEMBUMIAN

PADA MODEL LAPISAN TANAH YANG TIDAK UNIFORM

Zulkarnaen Pane

1)

1)

Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro FT USU

Abstrak

Tulisan ini akan memaparkan penerapan pengujian model skala pada dua lapisan tanah yang tidak uniform. Pengujian dilakukan pada bak elektrolitik untuk mengukur tahanan grid pembumian. Rincian dari bak elektrolitik, peralatan dan rangkaian yang digunakan akan dijelaskan. Untuk memverifikasi keakuratan dari hasil yang diperoleh melalui pengujian akan dibandingkan dengan hasil perhitungan. Kata kunci: model skala, grid pembumian, dua lapis tanah

Abstract

This paper will explain the testing application of scale models for two non uniform earth layer. The testing is done in an electrolytic tank for measuring the earth grid resistance.

The details of an electrolytictank, instruments and circuits which are used, will be explained. For the verification the result’s accuracies of the testing will be compared by calculation.

Keywords: scale model, earth grid, two earth layer.

1. Pendahuluan

Dengan semakin bertambahnya jumlah, ukuran dan kompleksitas suatu gardu induk, tuntutan untuk mengembangkan prosedur perencanaan yang akurat untuk sistem pembumian yang ekonomis dan memberikan tingkat keamanan yang diharapkan menjadi penting. Untuk keperluan perencanaan tersebut telah dikembangkan berbagai teknik analitis mulai dari rumus-rumus sederhana yang dapat dikerjakan dengan tangan sampai dengan yang menggunakan komputer. Disamping itu untuk memverifikasi kedua teknik tersebut digunakan pengujian model skala. Dengan menggunakan model yang kecil dalam suatu bak elektrolitik dapat ditentukan tahanan dan potensial permukaan dari suatu sistem pembumian.

Tanah pada lokasi gardu induk adakalanya tidak uniform atau terdiri dari dua lapisan tanah yang berbeda tahanan jenisnya. Parameter-parameter dari dua lapisan tanah adalah tahanan jenis lapisan atas ρ1, ketebalan lapisan atas h,

dan tahanan jenis lapisan bawah ρ2 dengan

kedalaman yang tak berhingga. Perbedaan kedua tahanan jenis ini dinyatakan oleh faktor refleksi K yang didefensikan sebagai ( ρ2 - ρ1 )/ (ρ2 +

ρ1).

Studi model skala untuk sistem pembumian grid pada dua lapisan tanah telah dilakukan oleh (Mukhedkar 1972, Caldecott 1983 dan Thapar 1987). Dalam studi tersebut ketiganya menggunakan air sebagai lapisan pertamanya. Untuk lapisan kedua, Mukhedkar menggunakan beton semen, Caldecott menggunakan agar-agar dan Thapar menggunakan air. Dari ketiga studi tersebut, dua studi yang pertama mempunyai kekurangan yakni kesulitan untuk mengatur tahanan jenis masing-masing lapisan seperti yang diharapkan. Sementara itu, studi yang dilakukan oleh Thapar karena ia menggunakan air baik sebagai lapisan pertama maupun sebagai lapisan kedua, akan lebih mudah mengatur-atur tahanan jenisnya dengan manambahkan garam ke dalam air sehingga dapat diperoleh nilai tahanan jenis yang dikehendaki.

Tulisan ini akan membahas hasil penerapan pengujian model skala yang telah dikembangkan oleh Thapar untuk mengukur tahanan pembumian grid pada dua lapisan tanah yang tidak uniform. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan metoda dua titik dan metoda fall of potential (IEEE Std. 81, 1983). Hasil pengukuran tersebut akan dibandingkan dengan hasil perhitungan dengan rumus sederhana yang diturunkan oleh (Salama 1995).

2. Prinsip Dasar Pemodelan

Untuk melaksanakan studi pemodelan dari sistem pembumian grid gardu induk pada dua lapisan tanah, model yang akan digunakan harus merupakan tiruan (replika) dari grid pembumian yang sebenarnya. Apabila semua dimensi fisik sistem pembumian yang sebenarnya, seperti diameter konduktor, panjang konduktor, jarak antar konduktor dan kedalaman penanaman elektroda pembumian diperkecil dengan suatu faktor skala yang sama maka pola aliran arus dan bentuk ekipotensial permukaan tidak akan berubah (Thapar, 1983). Ini berarti bahwa profil potensial yang diukur pada suatu model dapat digunakan untuk menentukan potensial yang sama pada grid yang sebenarnya. Oleh karena itu adalah memungkinkan untuk menirukan suatu sistem pembumian sebenarnya melalui pemodelan skala.

Sebagai model dua lapisan tanah digunakan air leding dan air bercampur garam yang dimasukkan secara terpisah ke dalam dua bak yang terbuat dari bahan konduktif (yang sering juga disebut sabagai bak elektrolitik). Agar air yang berbeda tahanan jenisnya tersebut tidak bercampur satu sama lain, kedua bak dipisahkan oleh lembaran akrilik. Pada lembaran akrilik dipasang batang-batang tembaga sehingga lapisan air di bak atas terhubung secara elektris dengan air yang terdapat di bak bawah. Tahanan jenis air pada masing-masing bak dapat diubah-ubah dengan cara menambahkan garam secukupnya sehingga diperoleh nilai faktor refleksi yang dikehendaki. Model dari elektroda grid dibuat dengan bentuk yang sama dengan bentuk grid yang sebenarnya tetapi dengan ukuran yang diperkecil dengan suatu faktor skala tertentu dan dibuat dengan bahan yang sama yaitu tembaga.

Pengujian dilakukan dengan mengisi kedua bak elektrolitik dengan air yang berbeda tahanan jenisnya, kemudian model elektroda pembumian dimasukkan ke dalam bak lapisan pertama, pada kedalaman tertentu. Arus pengujian sebagai simulasi arus gangguan tanah diinjeksikan ke model elektroda pembumian. Selanjutnya dilakukan berbagai pengukuran untuk memperoleh besaran-besaaran yang dikehendaki.

3. Konstruksi Bak Elektrolitik

Pengujian model skala pada dua lapisan tanah ini menggunakan dua buah bak elektrolitik berukuran masing-masing 100 cm x 100 cm x

50 cm dan 100 cm x 100 cm x 51,5 cm yang terbuat dari plat bergalvanis (galvanized iron) dengan ketebalan 0,35 mm. Bak yang satu diletakkan di atas bak yang lain, dimana pada setiap sisi luar pinggiran permukaan bak bawah ditambahkan plat dari bahan yang sama dengan tinggi 1,5 cm, sehingga dasar dari bak atas berada 1,5 cm di bawah permukaan bak bawah. Konstruksi bak elektrolitik yang dilihat dari samping dapat dilihat pada Gambar 1. Bak yang bersifat konduktif ini digunakan sebagai elektroda pengumpul (collecting electrode) untuk arus listrik yang dialirkan pada elektroda pembumian. Arus yang dialirkan melalui elektroda pembumian akan terdistribusi secara radial dengan bentuk setengah bola, jadi walaupun bentuk bak yang digunakan berbentuk persegi empat tidak menjadi masalah selama ukuran bak tersebut cukup besar agar tidak mengganggu aliran distribusi arus yang diinjeksikan.

Setiap sisi bak bawah terbuat dari bahan yang sama, sedangkan pada dasar dari bak atas terbuat dari lembaran akrilik (acrylic sheet) setebal 3 mm. Batang-batang tembaga (copper pins) berdiameter 1,78 mm dengan panjang masing-masing 15 mm ditanam menembus lembaran akrilik, dimana panjang dari setiap batang tembaga pada setiap sisi lembaran akrilik 6 mm, dan jarak tiap-tiap batang tembaga pada permukaan lembaran akrilik adalah 10 mm.

Lembaran akrilik berfungsi untuk memisahkan air pada kedua bak agar tidak bercampur satu dengan yang lain, dan pada saat yang bersamaan batang-batang tembaga dapat mengalirkan arus listrik dengan baik antara kedua medium. Jadi, walaupun antara kedua medium dibatasi dengan lembaran akrilik, namun keberadaannya tidak menghalangi distribusi arus yang mengalir antara kedua medium.

Untuk memperkecil pengaruh terbatasnya ukuran bak, maka ukuran model sistem pembumian harus lebih kecil atau sama dengan 1/5 kali ukuran bak Dengan ukuran bak yang tidak kurang dari 5 kali ukuran grid pembumian ternyata aliran distribusi arus yang diinjeksikan dan garis-garis ekipotensial yang timbul tidak akan terganggu oleh dinding bak tersebut [Thapar, 1987]. Setiap model elektroda pembumian grid yang akan diuji digantung di tengah rangka kayu berukuran 95 cm x 95 cm (Gambar 2) dan diletakkan tepat di tengah-tengah bak.

Lembaran Akrilik dengan ketebalan 3mm

Batang-batang tembaga dengan diameter 1,78mm dan panjang 15mm

Plat yang berfungsi sebagai penyangga bak atas Bak atas yang terbuat dari plat

bergalvanis setebal 0,35mm

Bak bawah yang terbuat dari plat bergalvanis setebal 0,35mm

Kayu yang berfungsi sebagai penyangga bak bawah

terhadap tekanan air Kayu; berfungsi sebagai

penyangga bak atas terhadap tekanan air

Gambar 1. Bak elektrolitik (tampak samping)

grid benang nilon

rangka kayu

95 cm

95 cm

Gambar 2. Model elektroda pembumian grid yang digantung pada rangka kayu

4. Rangkaian Pengujian

Gambar 3 dan 4 memperlihatkan rangkaian pengujian yang digunakan masing-masing untuk metoda Fall of potential dan metoda dua titik. Kapasitor C, 10 μF, berfungsi untuk mencegah mengalirnya arus DC yang dapat ditimbulkan karena ketidaksamaan bahan yang digunakan, yaitu model grid pembumian yang terbuat dari tembaga dan dinding bak yang terbuat dari plat bergalvanis, serta menghindari terjadinya polarisasi. Selama pengujian dioperasikan arus sebsar 100 mA. A C V 220 VAC PTAC S ρ₂ ρ₁ grid probe E P C X

Gambar 3. Rangkaian pengujian tahanan pembumian dengan metoda Fall of potential

A C V ρ2 ρ₁ grid E 220 VAC C PTAC S

Gambar 4. Rangkaian pengujian tahanan pembumian dengan Metoda Dua Titik

5. Pelaksanaan Pengujian

Sebelum melakukan pengukuran terhadap model elektroda grid, terlebih dahulu dilakukan pengukuran tahanan jenis air pada kedua bak dengan menggunakan metoda Wenner seperti yang dijelaskan pada lampiran. Tahanan jenis air pada masing-masing bak tersebut dapat diubah dengan menambahkan garam (NaCl) pada salah satu atau kedua bak, sehingga diperoleh tahanan jenis air dan faktor refleksi yang berbeda. Pengukuran tahanan grid pembumian dilakukan dengan menggunakan parameter-parameter sebagai berikut :

Ukuran grid : 20 cm x 20 cm Jumlah Mesh : 16 dan 25 Diameter konduktor, do : 0,25 mm

Faktor refleksi K : - 0, 372 dan 0,367 Kedalaman lapisan atas, h : 5 cm; 7,5 cm; 10 cm

Kedalaman grid, hb : 0,5 cm

Arus pengujian, I : 100 mA

Untuk metoda Fall of Potential (Gambar 3), probe potensial (P) secara bertahap digerakkan mulai dari pinggir model elektroda pembumian grid hingga mendekati posisi probe arus yang berada pada dinding bak (C). Untuk setiap 0,5 cm pergerakan probe, catat dan perhatikan tegangan yang terukur pada voltmeter digital. Untuk metoda dua titik (Gambar 4), posisi probe arus dan potensial berada pada dinding bak (Q), catat besar tegangan yang terukur pada voltmeter.

6. Data dan Analisis Hasil Pengujian 6.1 Tahanan Jenis Air

Besarnya tahanan jenis air yang diukur pada bak elektrtolitik untuk masing-masing lapisan (ρ1 dan ρ2) dapat dilihat pada Tabel 1 sampai

dengan Tabel 3.

Untuk memperoleh nilai faktor refleksi K negatip maka lapisan pertama adalah air leding dan lapisan kedua adalah air leding yang telah dicampur dengan garam secukupnya (± 25 gram) sehingga diperoleh nilai tahanan jenis lapisan kedua yang lebih kecil dari lapisan pertama. Dari Tabel 1 dan 2 diperoleh bahwa tahanan jenis air lapisan pertama (ρ1) rata-rata

adalah 75,72 Ω.m, tahanan jenis air lapisan kedua ρ2 rata-rata adalah 34,69 Ω.m sehingga

diperoleh faktor refleksi K = - 0,372

Tabel 1. Tahanan jenis air lapisan pertama, air leding (ρ1)

a (cm) I (mA) V _(volt) R _(ohm) ρ = 2πaR (Ω.m) 14 10 0.874 _{20 1.744} 87.40 _87.20 76.84 _76.67 16 10 0.754 _{20 1.502} 75.40 _75.10 75.76 _75.46 18 10 0.663 _{20 1.321} 66.30 _66.05 74.95 _74.66

Tabel 2. Tahanan jenis air lapisan kedua, air

leding ditambah dengan garam (ρ

2

)

a (cm) I (mA) V (volt) R (ohm) ρ = 2πaR (Ω.m) 14 10 0.405 _{20 0.804} 40.50 _40.20 35.61 _35.34 16 10 0.348 34.80 34.97 20 0.690 34.50 34.67 18 10 0.300 30.00 33.91 20 0.595 29.75 33.63

Untuk memperoleh nilai faktor refleksi K positip lapisan kedua adalah air yang sama dengan pengujian sebelumnya dan lapisan pertama adalah air leding yang dicampur dengan garam secukupnya (± 50 gram). Dari Tabel 3 dapat dilihat bahwa tahanan jenis air lapisan pertama (ρ1) rata-rata adalah 16,09 Ω.m.

Dengan ρ2 = 34,69 Ω.m diperoleh faktor refleksi

K = - 0,367

Tabel 3. Tahanan jenis air lapisan pertama, air leding ditambah dengan garam (ρ1)

a (cm) I (mA) V _(volt) R _(ohm) ρ = 2πaR _(Ω.m) 14 10 0.186 _{20 0.367} 18.60 _18.35 16.35 _16.13 16 10 0.158 _{20 0.311} 15.80 _15.55 15.88 _15.62 18 10 0.136 _{20 0.304} 13.60 _15.20 15.37 _17.18

6.2 Tahanan Pembumian 6.2.1. Metoda Fall of Potential

Hasil pengukuran tahanan pembumian dengan metoda Fall of potential untuk model grid pembumian berjumlah 16 dan 25 mesh dapat dilihat pada Tabel 4.

Tabel 4. Hasil pengukuran dengan metoda Fall of Potential

No. Jumlah _Mesh Faktor refleksi, K Kedalaman lapisan atas, h (cm) Tahanan, R (ohm) 1. 16 −0,372 5 116,9 7,5 123,9 10 127,3 0,367 5 47,8 7,5 43,5 10 41,2 2. 25 −0,372 5 112,1 7,5 118,2 10 121,7 0,367 5 46,7 7,5 41,7 10 39,2 6.2.2. Metoda Dua Titik

Hasil pengukuran tahanan pembumian dengan metoda Dua Titik untuk setiap model grid pembumian dapat dilihat pada Tabel 5 berikut : Tabel 5. Hasil Pengukuran Dengan Metoda Dua Titik

No. Jumlah _Mesh Faktor refleksi, K Kedalaman lapisan atas, h (cm) Tahanan, R (ohm) 1. 16 −0,372 5 129,30 7,5 137,80 10 143,30 0,367 5 51,10 7,5 47,40 10 45,20 2. 25 −0,372 5 125,70 7,5 134,10 10 139,40 0,367 5 50,20 7,5 46,60 10 44,40

Dari Tabel 4 dan 5 dapat dilihat bahwa untuk harga faktor refleksi K negatip yaitu di mana lapisan pertama lebih resistif dari lapisan kedua, semakin dalam lapisan atas h semakin besar harga tahanan pembumian, sedangkan untuk harga K positif yaitu di mana lapisan pertama lebih konduktif dari lapisan kedua semakin dalam lapisan atas h semakin kecil harga tahanan pembumian. Sementara itu, untuk

harga K yang sama, semakin banyak jumlah mesh suatu grid semakin kecil harga tahanan pembumiannya. Selanjutnya, untuk jumlah mesh yang sama, harga tahanan pembumian untuk K positif lebih kecil dari harga tahanan pembumian untuk K negatif, atau dengan perkataan lain jika lapisan tanah pertama dimana sistem pembumian itu berada semakin konduktif, maka tahanan pembumiannya semakin kecil

6. 3 Hasil Perbandingan

Nilai tahanan pembumian sebenarnya dari hasil pengujian yang dilakukan terhadap model grid pembumian selanjutnya dibandingkan dengan harga tahanan pembumian yang dihitung berdasarkan Persamaan 1 pada lampiran. Hasil perbandingannya dapat dilihat pada Tabel 6. Perbedaan diantara kedua harga tahanan tersebut (persen kesalahan) dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut : % x R R R hitung ukur hitung 100 (%Error) kesalahan Persen = −

Harga-harga persen kesalahan untuk kedua model grid pembumian tersebut dapat dilihat pada Tabel 6 kolom error (%). Dari kolom tersebut dapat dilihat bahwa harga tahanan yang diperoleh dari pengukuran melalui pengujian model skala cukup dekat dengan hasil perhitungan secara teoritis. Untuk pengukuran dengan Metoda Fall of potential diperoleh persen kesalahan di bawah 15%, sedangkan dengan menggunakan metoda Dua Titik diperoleh persen kesalahan yang lebih kecil lagi, yaitu di bawah 2%.

Dengan demikian, maka pengukuran tahanan pembumian pada dua lapisan tanah yang berbeda dapat dilakukan dengan pengujian model skala pada 2 buah bak elektrolitik yang diasumsikan sebagai dua lapisan tanah, dengan memberikan hasil yang mendekati nilai tahanan pembumian yang diperoleh melalui perhitungan dengan menggunaka sederhana.

7. Kesimpulan

1. Nilai tahanan pembumian grid pada dua lapisan tanah yang diperoleh melalui pengujian model skala memberikan hasil yang mendekati harga yang diperoleh dengan menggunakan rumus pendekatan yang diusulkan oleh Salama, dimana persen kesalahan (% Error) yang lebih kecil dari 2% diperoleh dengan

menggunakan metoda Dua Titik dan lebih kecil dari 15% jika menggunakan metoda Fall of Potential. Ini menunjukkan bahwa penentuan tahanan grid pembumian dengan metoda pengujian model skala cukup akurat. 2. Pengukuran tahanan grid pembumian

pada pengujian model skala memberikan hasil yang lebih baik bila menggunakan metoda Dua Titik dibandingkan dengan metoda Fall of Potential.

3. Pengujian model skala yang menggunakan air untuk kedua lapisan memberikan kemudahan bagi kita untuk melakukan pengujian terhadap model elektroda pembumian dengan faktor refleksi (K) dan tingkat kedalaman lapisan pertama (h) yang bervariasi. Daftar Pustaka

Caldecott, R., Kasten, D. G., “Scale Model Studies of Station Grounding Grids”, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS – 102, No. 3, March 1983.

IEEE Std. 81 – 1983, “IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of A Ground System”

Tabel 6. Data Hasil Perbandingan Tahanan Pembumian

Tahanan Pembumian, R (ohm) Error (%)

Kedalaman lapisan atas, h

(m) Jumlah

mesh refleksi, K Faktor

No. _{Fall of}

potential

Dua Titik

RUKUR(1) RUKUR(2) Rhitung

5 116,9 129,30 131,06

10,80 1,34

Mukhedkar, D., Gervais, Y., DeJean, J. P., “Modelling of A Grounding Electrode”, Ecole Polytechnique Montreal, Canada, May 1972

Salama, M. M. A., Elsherbiny, M. M., Chow, Y. L., “A Formula for Resistance of Substation Grounding Grid in Two-Layer Soil”, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 10, No. 3, July 1995.

Thapar, B., Puri, K. K.,“Mesh Potential in High Voltage Grounding Grids”, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-86, No. 2, February 1983.

Thapar, B., Goyal, S. L., “Scale Model Studies of Grounding Grids in Non-Uniform Soils”, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. PWRD – 2, No. 4, October 1987. 1. 16 −0,372 7,5 123,9 137,80 139,92 11,45 1,52 10 127,3 143,30 145,68 12,62 1,63 5 47,8 51,10 51,61 7,38 0,99 0,367 7,5 43,5 47,40 47,99 9,36 1,23 10 41,2 45,20 45,77 9,98 1,25 5 112,1 125,70 126,55 11,42 0,67 2. 25 −0,372 7,5 118,2 134,10 135,42 12,72 0,97 10 121,7 139,40 141,17 13,79 1,25 5 46,7 50,20 50,66 7,82 0,91 0,367 7,5 41,7 46,60 46,96 11,20 0,77 10 39,2 44,40 44,82 12,54 0,94 Keterangan :

RUKUR(1) = Tahanan pembumian yang diukur dengan metoda Fall of potential

RUKUR(2) = Tahanan pembumian yang diukur dengan metoda dua titik

2. Tahanan Grid Pembumian Pada

Dua Lapisan Tanah

LAMPIRAN

1. Pengukuran Tahanan Jenis Air

Tahanan jenis air yang digunakan pada pengujian model skala ini diukur dengan metoda Empat Titik (metoda Wenner). Metoda ini menggunakan empat buah elektroda yang sama yaitu A, B, C, D yang disusun pada satu garis lurus masing-masing dengan jarak a dan ditanam pada kedalaman yang tidak melebihi 0,1a.

Untuk menentukan besarnya harga tahanan pembumian grid pada dua lapisan tanah, dapat dihitung dengan menggunakan rumus pendekatan yang diusulkan oleh (Salama 1995):

x d Δl 0,061 ln 2π 1 L 1 A π 4 1 ρ R o 1 g ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + =

Arus yang diinjeksikan melalui elektroda A dan D akan menimbulkan tegangan antara kedua elektroda B dan C yang dapat dibaca pada Voltmeter. Tahanan jenis air dapat dihitung dengan persamaan :

₍

(

)

₎

o 1 b h h 2π K 1 ln ρ A h 2,256 1 + − − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − (1) dengan : 1 2 1 2 ρ ρ ρ ρ K + − = (2)

ρ

=

2

π

aR

di mana

I

V

R

=

h<0,2 A (3) h h_b< (4)

(

)

[

]

2K 1 K K 1 ln 2π A c ho f − − = (5) A C A I R V 220 VAC PTAC S A B C D a a a x y Δl Δl Δl= (6) di mana :

Rg = tahanan pembumian grid (Ω)

Δlx = panjang sisi mesh pada sumbu x (m)

Δly = panjang sisi mesh pada sumbu y (m)

Gambar L1. Rangkaian pengujian tahanan jenis air

dengan metoda empat titik A = luas grid pembumian (m2)

ρ1 = tahanan jenis tanah lapisan atas (Ω.m)

ρ2 = tahanan jenis tanah lapisan bawah (Ω.m)

do = diameter konduktor grid (m)

L = panjang total konduktor grid (m)

hb = kedalaman penanaman grid dari

permukaan tanah (m)

h = kedalaman tanah lapisan atas (m) cf = faktor bentuk (≅ 0,9)