SISTEM PENTANAHAN PADA GARDU INDUK
Latar Belakang
Secara umum pentanahan adalah melakukan koneksi sirkuit atau peralatan ke bumi. Sistem pentanahan yang kurang baik dapat menyebabkan penurunan kualitas tenaga listrik. Ilmu pertanahan sering kali dianggap remeh, padahal pentanahan yang baik sangatlah penting.
Pada system tenaga listrik, 70% s/d 80% yang terkena gangguan adalah pada sistem transmisi. Salah satunya adalah gangguan ke tanah selain gangguan-gangguan lain seperti , surja petir, kesalahan mekanis akibat retak-retak pada isolator, burung atau daun-daun yang terbang dekat isolator gantung, debu-debu yang menempel pada isolator, tegangan lebih dan gangguan hubung singkat.
Jika arus gangguan lebih dari 5 A maka timbul busur listrik pada kontak-kontak antara kawat yang terganggu dan tanah yang tidak dapat padam sendiri. Dan jika terdapat busur tanah yang menetap, padam dan menyala, hal ini dapat membahayakan. Hal ini disebabkan karena busur tanah tersebut merupakan gelombang berjalan yang memiliki muka gelombang yang curam yang dapat membahayakan isolasi dari alat-alat instalasi meskipun letaknya jauh dari titik gangguan.
Dari jenis-jenis gangguan yang telah disebutkan dapat mengakibatkan: 1. Menginterupsi kontinuitas pelayanan daya kepada konsumen
2. Penurunan tegangan yang cukup besar sehingga kualitas kualitas tenaga listrik rendah dan merintangi kerja normal peralatan konsumen
3. Pengurangan stabilitas sistem yang menyebabkan jatuhnya generator 4. Merusak peralatan pada daerah gangguan
Rumusan masalah
2. Apa dampak kegagalan pentanahan terhadap kualitas tenaga listrik? 3. Bagaimana pentanahan pada gardu induk?
4. Apa saja bahaya yang timbul di gardu induk akibat gangguan tanah? 5. Bagaimana pentanahan gardu induk di Indonesia?
Dasar Pentanahan
Definisi pentanahan (Grounding), berdasarkan IEEE dictionary (standard 100), adalah melakukan koneksi, baik disengaja atau tidak disengaja, sirkuit listrik atau peralatan ke bumi, atau ke bodi konduksi yang ditempatkan di bumi. Hal ini dilakukan untuk mempertahankan potensial bumi pada konduktor yang terhubung dan mengalirkan arus tanah menuju dan dari bumi.
Tujuan pentanahan suatu system tenaga listrik secara umum adalah:
1. Mencegah timbulnya busur tanah akibat dari arus gangguan yang besar (>5 A)
2. Memberikan perlindungan terhadap bahaya listrik bagi pemanfaatan listrik dan lingkungan
3. Memproteksi peralatan
4. Mendapatkan keandalan penyaluran pada system baik dari segi kualitas, keandalan ataupun kontinuitas penyaluran tenaga listrik dengan kontrol noise termasuk transien dari segala sumber.
5. Membatasi kenaikan tegangan fasa yang tidak terganggu (sehat) Klasifikasi sistem pentanahan pada tegangan rendah antara lain:
1. TT: netral sumber daya terhubung ke bumi dan frame peralatan beban terhubung ke bumi
2. IT: netral sumber daya tidak terhubung ke bumi dan frame peralatan beban terhubung ke bumi
3. TN: netral sumber daya terhubung ke bumi dan frame peralatan beban terhubung ke sumber daya yang sudah terhubung ke bumi
TN-S: ketika fungsi proteksi disediakan oleh konduktor yang terpisah dengan netral sumber daya.
TN-C-S: penggunaan TN-S hilir dari TN-C
Gambar 1. Klasifikasi Sistem Pentanahan Dampak Kegagalan Pentanahan Terhadap Kualitas Tenaga Listrik
Pentanahan dalam hubungannya dengan mutu/kualitas tenaga listrik (Power
Quality), kegagalan pentanahan dapat berdampak pada:
1. Level tegangan swell dan sag
Pada nomogram dibawah (gambar 2a) menunjukkan bahwa level tegangan swell pada sebuah fase sehat untuk single line to ground fault pada lokasi yang sama sebagai fungsi resistansi urutan ke nol R0, kapasitansi urutan ke nol X0, dan reaktansi urutan positif X1. Perlu diketahui
bahwa komponen urutan ke nol bergantung pada desain system pentanahan 1. Perambatan transien akibat switching dan lightning.
2. Harmonisa
3. Ketidakseimbangan beban fasa
System distribusi itu tidak simetri dan terdiri dari banyak beban single phase. Kedua factor ini menyebabkan ketidakseimbagan kondisi yang dapat ditekankan dengan interaksi dengan beban dinamis seperti motor induksi. Ketidakseimbangan ini dapat dikontrol diantaranya dengan menyesuaikan pentanahan sirkuit, penggunaan transformator, memperkecil impedansi tanah.
Gambar 2. (a) monogram tegangan swell selama kegagalan fasa (b) Simulasi Tegangan Transien
Pentanahan pada Gardu Induk
Dasar perhitungan tahanan pentanahan adalah perhitungan kapasitansi dari susunan batang-batang elektroda pentanahan dengan anggapan bahwa distribusi arus atau muatan uniform sepanjang batang elektroda. Penentuan besar kapasitansi suatu sistem pentanahan dapat dilakukan dengan prinsip bayangan.
Gambar 3. Prinsip Bayangan
Misalkan dua elektroda dari titik 1 dan 1 bermuatan yang sama besar di dalam media tak terbatas, dam dimisalkan arus I mengalir pada kedua titik tersebut. Bidang bayangan terletak di tengah-tengah. Apabila bidang bayangan dianggap permukaan tanah, maka potensial yang disebabkan elektroda di bawah permukaan tanah adalah
Dimana:
V: potensial pada permukaan tanah (V) I : arus yang masuk tanah dari elektroda (A) ρ : tahanan jenis tanah (Ohm-m)
s : jarak elektroda terhadap permukaan tanah (m)
s': jarak bayangan elektroda terhadap permukaan tanah (m) Q: jumlah muatan (Coloumb)
C: kapasitansi (Farad)
Factor keseimbangan antara tahanan pentanahan dengan kapasitansi adalah tahanan jenis tanah. Harga tahanan jenis tanah pada kedalaman tertentu bergantung pada beberapa factor, yaitu:
1. Jenis tanah: tanah liat, berpasir, berbatu dan lain-lain 2. Lapisan tanah
3. Kelembaban tanah: berlapis dengan tahanan jenis berlainan atau uniform 4. Temperatur
Untuk memperoleh harga tahanan jenis tanah perlu dilakukan penelitian dalam jangka waktu tertentu misalnya satu tahun.
Pengukuran tahanan jenis tanah dapat dilakukan dengan metode empat elektroda (four
Gambar 4. Pengukuran tahanan jenis tanah dengan metode empat elektroda Perhitungan besar tahanan jenis tanah dirumuskan:
Keterangan:
ρ: tahanan jenis tanah (Ohm-m) a: jarak antar elektroda (m)
R34: impedansi titik 3 dan 4 (Ohm)
Pada perencanaan sistem pentanahan pada gardu induk berdasarkan standard IEEE 80, langkah-langkah perhitungan sebagai berikut:
1. Pemeriksaan tahanan jenis tanah 2. Perancangan tata letak dan data-data 3. Menghitung arus fibrasi
4. Menghitung jumlah batang pentanahan yang diperlukan 5. Menghitung arus gangguan hubung tanah
6. Menghitung tahanan batang
7. Menghitung ukuran konduktor kisi-kisi 8. Menghitung tegangan sentuh
9. Menghitung tegangan kisi-kisi (grid) 10. Menghitung tegangan mesh
11. Menghitung tegangan langkah yang diijinkan 12. Menghitung tegangan langkah yang sebenarnya 13. Pemeriksaan tegangan transfer
Bahaya yang Timbul di Gardu Induk Akibat Gangguan Tanah
Arus gangguan tanah menyebabkan adanya beda tegangan beda tegangan di permukaan tanah. Hal ini sangat membahayakan manusia yang sedang berada disekitarnya. Arus gangguan dapat mengalir ke tubuh. Batas-batas arus tersebut di bagi menjadi :
1. Arus mulai terasa atau persepsi (perception current)
Berdasarkan Electrical Testing Laboratory NewYork 1933, besar arus persepsi untuk laki-laki 1,1 mA dan perempuan 0,7 mA.
2. Arus mempengaruhi otot (let-go current)
Berdasarkan penelitian di University of California Medical School, ditetapkan batas arus maksimal dimana orang masih dapat dengan segera melepaskan konduktor bila terkena arus listrik, untuk laki-laki sebesar 9 mA dan perempuan sebesar 6 mA. 3. Arus mengakibatkan pingsan atau mati atau fibrilasi (fibrillating current)
Arus pada kasus ini nilainya lebih besar dari arus yang mempengaruhi otot. Namun, berdasarkan penelitian oleh Dalziel di University of California tahun 1968, 99,5% orang yang memiliki berat lebih kurang 50 kg masih dapat bertahan terhadap arus yang besarnya
ik adalah arus yang melewati tubuh manusia (A) dan t adalah waktu lewatnya arus
tersebu (s).
4. Arus reaksi (reaction current) adalah arus terkecil yang dapat menyebabkan orang menjadi terkejut. Berdasarkan penelitian yang dilakukan DR. Hans Prinz batasan-batasan arus tersebut disajikan dalam table berikut
Tabel 1. Batasan-batasan Arus dan Pengaruhnya Pada Manusia
Besar arus Pengaruh
0 – 0,9 mA 0,9 – 1,2
Tidak menimbulkan reaksi apa-apa Terasa ada arus listrik tetapi tidak menimbulkan
mA 1,2 – 1,6 mA 1,6 – 6,0 mA 6,0 – 8,0 mA 13 – 15 mA 15 – 20 mA 20 – 50 mA 50 – 100 mA kehilangan kontol
Mulai merasa seakan aka nada yang merayap di tangan
Tangan sampai ke siku merasa kesemutan Tangan mulai kaku, rasa kesemutan mulai bertambah
Rasa sakit yang tidak tertahankan, penghantar masih dapat dilepaskan
dengan gaya yang sangat besar
Otot tidak sanggup lagi melepaskan penghantar Mengakibatkan kerusakan pada tubuh Batas arus yang dapat menyebabkan kematian
Selain bahayanya pada manusia, beda potensial pada permukaan tanah menyebabkan: 1. Tegangan sentuh
Tegangan sentuh (touch voltage) adalah tegangan yang terjadi antara dua permukaan konduksi, yang dapat dipicu oleh sentuhan manusia. Tegangan sentuh yang tinngi dapat disebabkan adanya kegagalan bagian peralatan.
Gambar 5. Tegangan sentuh akibat kesalahan pentanahan
Pada gambar 5 menunjukkan bahwa besar arus gangguan dibatasi oleh tahanan orang dan tahanan kontak dari kaki orang tersebut.
Gamba 6. Tegangan sentuh dengan rangkaian penggantinya Besar tegangan sentuh dirumuskan
Dimana adalah tahanan jenis tanah disekitar permukaan tanah (Ohm-meter) dan t adalah lama gangguan tanah (s)
1. Tegangan langkah
Tegangan langkah adalah tegangan antara dua kaki orang yang sedang berdiri di atas tanah yang sedang dialiri arus gangguan tanah. Besar tegangan langkah dapat dihitung dengan persamaan:
Gambar 7. Tegangan langkah dekat peralatan yang diketanahkan 1. Tegangan pindah
Tegangan pindah adalah hal khusus dari tegangan sentuh, dimana tegangan ini terjadi bila pada saat terjadi kesalahan orang berdiri di dalam gardu induk dan menyentuh suatu peralatan yang diketanahkan pada titik jauh sedangkan alat tersebut dialiri arus gangguan ke tanah.
Gambar 8. Tegangan pindah dengan rangkaian penggantinya
Dalam kasus ini, orang akan merasakan tegangan yang lebih besar dibandingkan dengan tegangan sentuh. Besar tegangan pindah itu adalah
dan .
R0 adalah tahanan kontak pengetanahan, r adalah jari-jari ekivalen dari luas gardu induk dan
L adalah panjang total konduktor kisi-kisi dan batang. Pengetanahan Gardu Induk di Indonesia
Pada sistem pentanahan transformator daya gardu Induk pada sisi tegangan menengah, berdasarkan informasi dari PT PLN (Persero), titik netral lilitan diketanahkan melalui:
1. Pembumian dengan tahanan 12 ohm untuk sistem SKTM. Nilai arus hubung tanah maksimum 1000A. Untuk kawasan industry yang peka terhadap kedip, nilai tahanan dapat lebih besar dari 12 Ohm untuk memperkecil kedalaman kedip tegangan. Pembumian ini dipakai khususnya pada Trafo jaringan kabel tanah di daerah PLN Distribusi Jakarta Raya dan Tangerang dan kota Bandung
2. Pembumian dengan tahanan 40 Ohm untuk sistem SUTM, atau campuran SKTM dan SUTM. Nilai arus hubung tanah maksimum pada system 20 kV sebesar 300A. Pembumian ini dipakai pada trafo jaringan distribusi saluran udara di jawa Barat,
3. Pembumian dengan tahanan 500 Ohm untuk sistem SUTM. Nilai tahanan pembumian yang tinggi menyebabkan arus gangguan ke tanah relative kecil, yaitu sebesar 25 A. 4. Pembumian langsung/solid grounded. Pembumian ini memberikan beberapa
keuntungan antara lain: Fuse cut-out yang digunakan sebagai pengaman jaringan fasa-tanah dapat bekerja efektif karena arus gangguan sangat besar, jangkauan jaringan distribusi luas, dengan sistem multigrounded common netralpada jaringan TM memungkinkan fasa-1 pada jaringan TM untuk melistriki daerah terpencil dengan biaya investasi murah.
5. Tanpa pembumian/system mengambang. System ini saat ini hanya ada pada system kelistrikan pedesaan dengan pembangkit kecil dan tidak ada pembumian pada sisi trafo 20 kV. Pembumian pada jaringan TR memakai system TN-C, namun hanya ada pada satu tiang sebelum tiang akhir penyulang utama atau penghantar paling besar.
Kesimpulan
1. Pentanahan adalah melakukan koneksi sirkuit atau peralatan ke bumi yang bertujuan untuk mempertahankan potensial bumi pada konduktor yang terhubung dan mengalirkan arus tanah menuju dan dari bumi
2. Dampak kegagalan pentanahan terhadap kualitas tenaga listrik adalah level tegangan swell dan sag, perambatan transien, harmonisa, ketidakstabilan beban fasa, penurunan tegangan
3. Pentanahan pada gardu induk harus memperhitungkan tahanan jenis tanah, tata letak, arus fibrasi, jumlah batang pentanahan yang diperlukan, arus gangguan hubung tanah, tahanan batang, ukuran konduktor kisi-kisi, tegangan sentuh, tegangan kisi-kisi (grid), tegangan mesh, tegangan langkah yang diijinkan, tegangan langkah yang sebenarnya, tegangan transfer.
4. Bahaya yang timbul pada gardu induk akibat gangguan tanah adalah terjadinya tegangan sentuh, tegangan langkah dan tegangan pindah yang membahayakan instalasi dan manusia di sekitarnya.
5. Pentanahan gardu induk di Indonesia menggunakan pentanahan dengan tahanan 12 Ohm, 40 Ohm, 50 Ohm, pentanahan langsung dan tanpa pentanahan.
Saran
Dari uraian tentang pentanahan yang telah dijelaskan, untuk meningkatkan kualitas tenaga listrik, pentanahan yang baik sangat dibutuhkan. karena pentanahan yang baik dapat mereduksi gangguan-gangguan system transmisi yang dapat menyebabkan penurunan kualitas tenaga listrik ke konsumen seperti swell, sag, turun tegangan, dan transien.
Daftar Referensi
Dugan, Roger C, dkk. 2004. Electrical Power System Quality Second Edition. McGraw-Hill
Hutauruk, T. S. 1999. Pengetanahan Netral Sistem Tenaga dan Pengetanahan Peralatan. Erlangga: Jakarta
Liu, Xiyu. Grounding System of an Uninterruptible Power System (UPS). Design of P&T of MII: china
Meliopoulos, A.P Sakis. 2001. Impact of Grounding System Design on Power
Quality. IEE Power Engineering revew
PT PLN (Persero). 2001. Buku 1 Kriteria Disain Enjinering Konstruksi Jaringan Distribusi Tenaga Listrik. PT PLN (Persero): Jakarta
