PERANCANGAN APLIKASI SISTEM PENTANAHAN GRID GARDU INDUK UNTUK AREAL TANAH LAPIS DUA

PERANCANGAN APLIKASI SISTEM PENTANAHAN GRID GARDU INDUK UNTUK AREAL TANAH LAPIS DUA. TESIS. OLEH: AZWAR NASUTION 187034010. FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2020.

PERANCANGAN APLIKASI SISTEM PENTANAHAN GRID GARDU INDUK UNTUK AREAL TANAH LAPIS DUA. TESIS Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. OLEH: AZWAR NASUTION 187034010. FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2020.

Judul Tesis. Nama Mahasiswa Nomor Induk Program Studi. : PERANCANGAN APLIKASI SISTEM PENTANAHAN GRID GARDU INDUK UNTUK AREAL TANAH LAPIS DUA : Azwar Nasution : 187034010 : Magister Teknik Elektro. Menyetujui Komisi Pembimbing:. (Ir. Surya Hardi,. M.S., Ph.D.) Ketua. Ketua Program Studi,. (Suherman, S.T.,M.Comp., Ph.D.). Telah Lulus : 12 Agustus 2020. (Dr. Ir. Fahmi, M.Sc., IPM) Anggota. Dekan,. (Ir. Seri Maulina, M.Si., Ph.D.).

Telah diuji pada Tanggal : 12 Agustus 2020. PANITIA PENGUJI TESIS Ketua : Ir. Surya Hardi,. M.S., Ph.D. Anggota : Dr. Ir. Fahmi, M.Sc., IPM. : Ir. Syafruddin HS.M.Sc.Ph.D. : Emerson P. Sinulingga, ST.M.Sc.Ph.D..

ABSTRAK Parameter yang terlibat dalam proses perancangan sistem pentanahan grid gardu induk sangat komplek dan membutuhkan perhitungan yang berulang untuk mendapatkan hasil rancangan yang memenuhi kriteria standard IEEE 80-2013. Karakteristik tanah yang tidak seragam dengan model tanah lapis dua juga melibatkan perhitungan parameter tahanan jenis tanah dengan metoda tertentu. Karena proses perancangan secara manual akan membutuhkan waktu lebih lama dan kurang akurat, maka sistem komputasi yang berbasis komputer diperlukan untuk memudahkan perancangan. Penelitian ini menghasilkan sebuah aplikasi sistem pentanahan yang dirancang menggunakan perangkat lunak LabView. Penambahan beberapa metoda dan pengaturan bertujuan untuk memudahkan proses perancangan. Perhitungan tahanan grid dapat dipilih sesuai dengan kebutuhan perancangan dengan menggunakan metoda Sverak, Laurent, dan Schwarz. Penentuan diameter konduktor juga telah melibatkan konstanta material konduktor yang lebih terperinci. Pilihan konfigurasi grid yang disertakan adalah grid persegi, bujur sangkar, dan konfigurasi L. Pada penelitian terdahulu, perhitungan tahanan jenis tanah lapis dua adalah perhitungan yang terpisah dengan sistem perancangan pentanahan grid gardu induk. Perhitungan parameter tahanan jenis tanah lapis dua dalam hal ini disertakan pada sistem perancangan pentanahan gardu induk. Tahanan jenis tanah untuk model lapis dua dapat menggunakan pilihan metoda Sullivan, Seeder, dan grafik Sunde. Agar pengaruh dari setiap perubahan parameter terhadap kriteria rancangan dapat diamati secara langsung, maka aplikasi ini dibuat dengan bekerja secara berkelanjutan. Validasi dilakukan dengan membandingkan antara hasil perhitungan aplikasi dengan perhitungan standar IEEE 80-2013. Dari hasil validasi diperoleh perbedaan perhitungan parameter sistem perancangan grid gardu induk rata-rata sebesar 0.21 % dan 1.81 % untuk perhitungan parameter tahanan jenis tanah model lapis dua. Perbedaan ini tidak mempengaruhi hasil rancangan sistem pentanahan secara keseluruhan. Dengan demikian aplikasi yang dibuat dapat digunakan untuk merancang sistem pentahahan grid gardu induk sesuai standar IEEE 80-2013. Kata kunci: Gardu induk, pentanahan grid, tanah lapis dua, perancangan aplikasi, LabVIEW.. i.

ABSTRACT The parameters involved in designing a grounding-grid substation system are complex and require repeated calculations to obtain design results that meet the IEEE 80-2013 standard criteria. Non-uniform soil characteristics with the twolayer model also involve the calculation of soil type resistivity parameters with specific methods. Because the manually design process will take longer and is less accurate, a computer-based computing system is needed to facilitate the design. This research resulted in a grounding system application designed using LabView software. The addition of several methods and options aims to facilitate the design process. Calculation of grid resistance can be chosen according to design requirements using the Sverak, Laurent, and Schwarz methods.The determination of conductor diameters has also involved more detailed material constants. In general, the calculation of two-layer soil resistivity is separate from the grounding grid substation system design. Calculation of two-layer soil type resistivity parameters, in this case, is included in the substation grounding system design. The grid configuration options included square, square, and L. grid type resistors for the two-layer model can use the Sullivan, Seeder, and Sunde graphs. This application uses a run-continuously method to observe the effect of any parameter changes on the design criteria. Validation system compared the results of application calculations with IEEE 80-2013 standard calculations.The results of the validation obtained a difference of 0.21% for the calculation of substation grid parameters and 1.81% for the calculation of the resistivity parameters of the two-layer model of soil. This difference does not affect the overall design of the grounding system. Thus the application created can be used to design a substation grounding grid system according to IEEE 80-2013 standards. Keywords: Substation, grounding grid, LabVIEW, two-layer soil, design application, LabVIEW.. ii.

KATA PENGANTAR Puji dan syukur senantiasa penulis panjatkan kehadirat Allah subhanahu wa ta’ala atas segala limpahan rahmat dan karunia-Nya disertai shalawat beriring salam kepada baginda Rasulullah Muhammad shallallahualaihi wa sallam, sehingga tesis dengan judul, “Perancangan Aplikasi Sistem Pentanahan Grid Gardu Induk Untuk Areal Tanah Lapis Dua” dapat diselesaikan dengan baik. Tesis ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar master pada program Studi Magister Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Penulis menyadari sepenuhnya bahwa tesis ini tidak terlepas dari partisipasi berbagai pihak yang terlibat, baik secara langsung maupun tidak langsung. Oleh karena itu, penulis menyampaikan rasa hormat dan terima kasih yang sebesarbesarnya kepada: 1. Bapak Prof. Dr. Runtung Sitepu, S.H., M. Hum selaku Rektor Universitas Sumatera Utara. 2. Ibu Ir. Seri Maulina, M.Si., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik USU. 3. Bapak Suherman, ST., M. Comp., Ph.D selaku Ketua Program Studi Magister Teknik Elektro. 4. Bapak Ir. Surya Hardi, M.S., Ph.D dan Dr. Ir. Fahmi, M.Sc., IPM selaku dosen pembimbing. 5. Bapak Ir. Syafruddin Hasan, MT., Ph.D dan Bapak Emerson P. Sinulingga, S.T., M.Sc., Ph.D selaku dosen penguji. 6. Ibunda Habibah Lubis atas doa dan restunya. 7. Istri Tri Retno Rini, ananda Anwar, Ilyas, Maherzein, Nabila, dan Anshori Nasution serta kakanda Rabiah, Naimah, dan Haflina Nasution. iii.

yang telah merelakan sebagian besar waktunya dan memberikan dorongan moril maupun materil dalam menyelesaikan tesis ini. 8. Seluruh dosen yang saya banggakan dan rekan mahasiswa, karyawan dan civitas akademika di Program Studi Magister Teknik Elektro.. Tesis ini tentunya masih jauh dari sempurna, baik dari sisi materi maupun dari sisi penulisan. Dalam hal ini saran dan kritik yang membangun diharapkan agar tulisan ini akan menjadi lebih baik dan bermanfaat bagi pembaca dimasa yang akan datang.. Medan, 12 Agustus 2020. Penulis. iv.

DAFTAR RIWAYAT HIDUP Data Pribadi Nama. : Azwar Nasution. Tempat/ tanggal lahir : Hutanamale, 21 Agustus 1974 Jenis Kelamin. : Laki-laki. Kebangsaan. : Indonesia. Agama. : Islam. Status. : Menikah. Nama Ayah. : Ashari Nasution. Nama Ibu. : Habibah Lubis. Alamat. : Jl. Benteng Hulu Gg. Ibrahim no. 8E Tembung, Medan. No Telepon/ Email. : 0818950600/exarnas@gmail.com. Pendidikan 1. Tamatan SD Negeri 2 HUTANAMALE. : Tahun 1989. 2. Tamatan SMP Negeri MAGA. : Tahun 1991. 3. Tamatan SMA Negeri 3 MEDAN. : Tahun 1994. 4. Tamatan D-III Teknik Elektro UGM. : Tahun 2001. 5. Tamatan S-1 STT-BINA TUNGGAL. : Tahun 2013. Pekerjaan 1. Teknisi, PT. MEGSALES ASIA. : Tahun 2002. 2. Instruktur Kejuruan Listrik, BBPLKLN CEVEST. : Tahun 2003. 3. Instruktur Teknik Elektronika, BBPLK MEDAN. : Tahun 2015. Medan, 12 Agustus 2020 Penulis,. Azwar Nasution. v.

DAFTAR ISI. Halaman ABSTRAK……………………………………….……..……………..... i. ABSTRACT…………………………………………………...……….... ii. KATA PENGANTAR……………………………………………….…. iii. DAFTAR RIWAYAT HIDUP………………………………..……….. v. DAFTAR ISI……………………………..…………………………….. vi. DAFTAR GAMBAR……………..…………………………………….. viii. DAFTAR TABEL……………………….……………………………... xi. BAB 1 PENDAHULUAN……...……….…………..……………......... 1. 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6. Latar Belakang………………………….………………… Perumusan Masalah…………………………………......... Tujuan Penelitian………………………….……………… Batasan 1 Masalah…………………….………………......... Manfaat 1 Penelitian…………………….…..……………… Sistematika penulisan……………………………………... 1 4 5 5 6 6. BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ……….……………….…………….. 8. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5. 2.6 2.7 2.8 2.9. Gardu Induk……………………………….….…………... Standar IEEE 80-2013………………….…….…………... Impedansi dan Arus Gangguan……….….…….…………. Konduktor Pentanahan………….………………………... Tahanan Jenis Tanah………………………………..……. 2.5.1 Tahanan jenis tanah lapis seragam………………... 2.5.2 Tahanan jenis tanah lapis dua……………………... Tahanan Pentanahan…………………………………....... Tegangan dan Faktor Geometri………………………….. Arus dan Potensial Grid………………………………….. Perangkat Lunak LabVIEW…………………………….... vi. 8 10 14 16 22 23 25 29 34 41 42.

BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN………………..………..……. 49. 3.1 Diagram Alir Penelitian ………………………………….. 3.2 Tahapan Perancangan dan Pembuatan Aplikasi….………. 3.3 Tahapan Validasi Aplikasi ………..………………………. 49 50 52. BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN……………………………….... 56. 4.1 Hasil Perancangan Aplikasi ……………………………… 4.2 Hasil Validasi Aplikasi…………………………………… 4.2.1 Validasi bagian rancangan sistem pentanahan…... 4.2.2 Validasi bagian tahanan jenis tanah……………... 4.3 Pembahasan……………..………………………………... 4.3.1 Analisis bagian rancangan sistem pentanahan…… 4.3.2 Analisis bagian tahanan jenis tanah……………… 4.3.3 Perbandingan spesifikasi aplikasi secara keseluruhan……………………………………….. 56 57 57 68 73 73 76. BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN………………………………... 81. 5.1 Kesimpulan ………………………………………………. 5.2 Saran………………………………………………………. 81 82. DAFTAR PUSTAKA…………………………………………………... 83. LAMPIRAN ……………………………………………..…………….... 86. vii. 78.

DAFTAR GAMBAR. Nomor. Judul. Halaman. 2.1.. Tata letak komponen GI………………………………….... 8. 2.2.. Komponen-komponen yang terhubung pada sistem pentanahan GI………….………………………………….. 9. 2.3.. Diagram alir 12 tahapan rancangan sistem pentanahan GI... 14. 2.4.. Geometri grid persegi dan persegi panjang………….…….. 20. 2.5.. Geometri grid L……………………………………………. 21. 2.6.. Metoda Wenner untuk pengukuran tahanan jenis tanah ….. 23. 2.7.. Grafik tahanan jenis terhadap jarak elektroda……..………. 27. 2.8.. Grafik karakteristik tanah lapis dua Sunde ……………….. 28. 2.9.. Kurva karakteristik tambahan pada pada grafik Sunde …... 29. 2.10.. Grafik koefisien K dengan rasio panjang dan lebar grid ….. 33. 2.11.. Jarak maksimum antara dua titik pada grid………………... 39. 2.12.. Tampilan awal LabVIEW…………………………………. 44. 2.13.. Contoh tampilan front panel pada LabVIEW…………….. 45. 2.14.. Contoh tampilan diagram blok pada LabVIEW………….. 46. 2.15.. Contoh cara penulisan formula matematika pada LabVIEW………………………………………………….. 47. 2.16. Contoh penulisan persamaan matematis secara grafis……. 48. 2.17.. Masukan parameter, kendali dan hasil kalkulasi pada front panel……………………………………………………….. 48. 3.1.. Diagram alir proses penelitian…………………………….. 50. 3.2.. Diagram alir perancangan dan pembuatan aplikasi………... 51. 3.3.. Diagram alir prosedur penggunaan dan pengujian aplikasi. 53. viii.

Nomor. Judul. Halaman. 3.4.. Diagram alir tahapan pengujian bagian tahanan pentanahan lapis dua………..……………………………. 55. 4.1.. Bagian masukan data GI ……………….…………………. 58. 4.2.. Panel dan blok diagram untuk menghitung diameter konduktor………………………………………………….. 59. Panel dan blok diagram bagian untuk menghitung kriteria tegangan…………………………………………………. 60. 4.4.. Diagram kriteria rancangan ……………………………….. 60. 4.5.. Blok diagram persamaan tegangan langkah secara visual. 61. 4.6.. Panel dan blok diagram bagian rancangan awal…………. 62. 4.7.. Diagram blok grid dengan dengan konfigurasi persegi…. 62. 4.8.. Diagram grid dengan konfigurasi L……………………….. 63. 4.9. Diagram untuk menghitung panjang konduktor LRC………. 63. 4.10.. Diagram untuk menghitung panjang (LT) (LM) dan (LS)…. 64. 4.11.. Panel dan diagram blok bagian tahanan pentanahan………. 65. 4.12.. Arus dan tegangan grid……………………………………. 65. 4.13. Blok diagram untuk perhitungan tegangan mesh, tegangan step sebenarnya, dan pengujian krtiteria rancangan awal…. 66. 4.14.. Tampilan panel pengujian kriteria rancangan awal………... 67. 4.15.. Blok diagram untuk menghitung tahanan jenis tanah lapis seragam ……………………………………………………. 68. Hasil rancangan panel untuk menghitung tahanan lapis seragam ……………………………………………………. 69. Panel untuk menghitung tahanan jenis lapis-dua………….. 70. 4.3.. 4.16.. 4.17. ix.

Nomor 4.18. Judul. Halaman. Blok diagram untuk menghitung tahanan jenis lapis-dua metoda Seedher………..…………………………………. 71. 4.19. Blok diagram perhitungan Sullivan untuk nilai k>0………. 71. 4.20.. Blok diagram perhitungan Sullivan untuk nilai k<0 …….... 72. 4.21.. Pembacaan jarak elektroda dengan perbesaran pada kurva.. 77. x.

DAFTAR TABEL. Normor. Judul. Halaman. 2.1.. Konstanta material konduktor…………………….…….…. 11. 2.2.. Kriteria parameter sistem pentanahan grid GI…………..…. 12. 2.3.. Nilai tipikal untuk faktor decrement……………..……..…. 13. 3.1.. Data GI……………………………………………..…….... 52. 3.2.. Data tahanan jenis …………………………………..…..…. 52. 3.3.. Data rancangan awal dengan menggunakan rod…….…….. 54. 3.4 4.4.. 4.5.. Data asumsi yang digunakan pada pengujian bagian tahanan jenis……………………………………………… . Hasil validasi aplikasi ASPG untuk arus gangguan If dan Rasio X/R…………………………..…………………….... 54. 58. Hasil validasi aplikasi ASPG pada bagian diameter kabel minimal……………………………………………………. 59. Hasil validasi aplikasi ASPG untuk kriteria tegangan langkah dan tegangan sentuh…………….……………….... 61. Hasil validasi aplikasi ASPG untuk menghitung tahanan pentahanan…………………………………………….….... 65. Hasil validasi aplikasi ASPG untuk arus dan potensial grid……................................................................................ 67. Hasil validasi aplikasi ASPG untuk tahanan jenis lapis seragam................................................................................. 69. 4.10.. Hasil validasi aplikasi ASPG untuk ketinggian lapisan h1... 72. 4.11.. Hasil validasi aplikasi ASPG untuk tahanan jenis lapisdua…………………………………………………………. 72. 4.6.. 4.7.. 4.8.. 4.9.. xi.

Normor. Judul. Halaman. 4.12.. Hasil pengujian bagian rancangan sistem pentanahan dengan data IEEE [1]……..……………………………….. 73. 4.13.. Data rancangan awal dengan tidak menggunakan rod…….. 74. 4.14.. Perbandingan hasil perhitungan kriteria tegangan langkah, tegangan sentuh, dan faktor Cs antara ASPG dengan penelitian [3]………………………………………………. 74. Perbandingan hasil perhitungan kriteria tahanan pentanahan, GPR, dan tegangan aktual antara ASPG dengan penelitian [3]..……………………………………... 75. Perbandingan hasil perhitungan tahanan jenis lapis seragam ASPG dengan IEEE 80-2013…………………...... 77. Perbandingan nilai ketinggian lapisan h1 dan jarak elektroda antara hasil rancangan ASPG dengan IEEE 802013………………………………………………………... 77. Perbandingan hasil perhitungan tahanan jenis tanah lapisdua antara ASPG dengan IEEE 80-2013 [1]…………..…... 78. Perbandingan hasil rancangan sistem pentanahan ASPG dengan berbagai literatur…………………….…………….. 79. 4.15.. 4.16.. 4.17.. 4.18.. 4.19.. xii.

BAB 1 PENDAHULUAN. 1.1.. Latar Belakang Sistem pentanahan adalah salah satu komponen penting dalam sistem. transmisi dan distribusi daya. Tujuan utama dari sistem pentanahan adalah untuk menjaga keberlangsungan pengoperasian sistem tenaga dan sebagai pelindung keselamatan orang dan peralatan selama terjadinya gangguan. Sistem pentanahan menyediakan jalur untuk mengalirkan arus gangguan ketanah yang berasal dari arus gangguan penangkal petir, arus gangguan jalur netral dari peralatan dan arus gangguan lainnya. Keamanan dan keandalan sistem transmisi dan distribusi daya sangat tergantung pada keberhasilan pengoperasian gardu induk (GI), karena setiap daya listrik yang disalurkan dan didistribusikan akan melewati berbagai jenis GI. Adanya perbedaan potensial antara peralatan dengan tanah, dan juga antara peralatan pada gardu akan membahayakan bagi peralatan dan juga bagi operator disekitarnya. Hal ini terjadi jika sistem pentanahan yang dibuat tidak memenuhi kriteria standar yang diizinkan. GI membutuhkan sistem pentanahan yang tidak hanya bertujuan untuk meminimalkan nilai resistansi pentanahan akan tetapi lebih dari itu juga harus mempertimbangkan parameter lainnya. Parameter potensial sentuh dan tegangan jala (mesh voltage) di seluruh titik pada GI tidak melebihi batas standar yang diizinkan. Dengan demikian sistem pentanahan GI harus dirancang sedemikian,. 1.

2. sehingga memenuhi kriteria keselamatan dan kesinambungan kinerja sistem. Pada umumnya sistem pentanahan GI berbentuk dengan tambahan beberapa rod. Salah satu acuan standar Internasional dalam merancang sistem pentanahan GI tegangan tinggi AC adalah standar IEEE no. 80 tahun 2013 [1]. Ketentuan yang ada pada standar tersebut menggunakan perhitungan matematis yang kompleks dengan melibatkan banyak parameter. Setiap parameter pentanahan ditentukan dan kemudian dihitung sehingga didapatkan hasil rancangan sistem pentanahan yang sesuai. Apabila hasil rancangan tidak sesuai, maka dilakukan modifikasi dan pengaturan kembali parameter terkait. Ada kemungkinan proses ini akan berulang. terus menerus.. Jika perhitungan. dilakukan secara manual maka akan membutuhkan waktu (tidak efektif) dan kemungkinan terjadi kesalahan (tidak akurat). Maka dalam hal ini diperlukan bantuan komputasi yang berbasis komputer untuk mempermudah, mempercepat, dan meningkatkan akurasi perancangan. Beberapa penelitian sebelumnya telah membahas sistem komputasi berbasis komputer. yang digunakan dalam perancangan pentanahan GI.. Komputasi pentanahan GI dirancang dengan aplikasi MATLAB yang mengacu pada standard IEEE 80-2000 dilaporkan dalam [2] dan [3]. Penggunaan aplikasi Excel untuk perancangan sistem pentanahan GI dikombinasi dengan MATLAB untuk efisiensi penggunaan material konduktor disajikan dalam [4]. Penelitian lain dirancang dengan Visual Studio [5] mengacu pada standar IEEE 80-2013 dengan pengaturan konfigurasi geometri grid, yaitu konfigurasi persegi, konfigurasi L dan konfigurasi T.. 2.

3. Sistem komputasi yang dibuat berbentuk aplikasi yang tersendiri (standalone executable aplication). Pada penelitian [2],[3],[4],[5] efek dari perubahan pada satu parameter terhadap parameter lainnya tidak dapat diamati secara langsung. Penelitian dari referensi sebelumnya mengasumsikan tanah satu lapisan (uniform). Sementara mayoritas lapisan tanah pada umumnya tidak memenuhi kriteria tanah yang seragam. Ketidakakuratan penentuan tahanan jenis tanah akan mengakibatkan kesalahan dalam perancangan. Perbedaan nilai tahanan jenis tanah dari hasil pengukuran dengan menggunakan metoda tertentu menunjukkan adanya perbedaan lapisan tanah atau disebut tanah tidak seragam. Kondisi tanah yang tidak seragam (non uniform) memerlukan penggunaan teknik pemodelan lapisan tanah untuk menentukan nilai tahanan jenis pengganti. Jumlah lapisan tanah yang dijadikan sebagai model adalah lapis dua, lapis tiga, atau lebih tergantung dari interpretasi dan tingkat ketidak-seragaman hasil pengukuran tahanan jenis tanah. Untuk kondisi tanah yang memiliki tingkat ketidakseragaman menengah (moderately non uniform) penggunaan model tanah lapis dua sudah memadai [1]. Perhitungan tahanan jenis tanah lapis dua dengan menggunakan aplikasi Current Distribution Electromagnetic Interference Grounding and Soil Structure Analysis (CDEGS) dilaporkan pada [6]. Pendekatan lain untuk perhitungan tahanan jenis tanah lapis dua dibahas pada publikasi [7],[8]. Perhitungan tahanan jenis tanah lapis dua [6],[7],[8] adalah perhitungan yang terpisah. dengan sistem perancangan pentanahan grid GI. Perhitungan. 3.

4. parameter tahanan jenis tanah lapis dua perlu disertakan pada sistem perancangan pentanahan GI untuk memudahkan proses perancangan. Sistem pentanahan grid GI untuk satu lapis tanah telah dirancang dengan menggunakan aplikasi berbasis LabVIEW pada penelitian [9]. Metoda perhitungan tahanan pentanahan yang digunakan belum melibatkan parameter konduktor grid. Penelitian [10] merancang instrumen untuk mengukur tahanan jenis pentanahan GI berbasis LabVIEW dengan menggunakan perangkat keras akuisisi data National Instrument. Tesis ini merancang dan membuat sistem komputasi pentanahan grid GI dengan aplikasi berbasis Graphical User Interface (GUI) LabView [11],[12],[13] dengan perhitungan parameter tahanan jenis tanah model lapis dua. Metoda perhitungan yang digunakan adalah grafik Sunde[1], Sullivan[6], dan Seeder[7]. Parameter konduktor grid dilibatkan dalam perthitungan tahanan pentanahan dengan menggunakan persamaan Schwarz [1]. Persamaan matematis setiap parameter sistem pentanahan yang diperoleh dari [1],[6],[7] diformulasikan kedalam bahasa pemrograman komputer dengan menyertakan pilihan pengaturan konduktor grid, rod, diameter dan konstanta material konduktor.. 1.2.. Perumusan Masalah Dari uraian latar belakang di atas dapat dirumuskan masalah yang menjadi. fokus penelitian yaitu belum tersedianya aplikasi perancangan sistem pentanahan grid GI yang menyertakan perhitungan tahanan jenis untuk model tanah lapis dua,. 4.

5. dimana efek modifikasi pada satu parameter dapat diamati secara langsung pada parameter lain sesuai kriteria standar IEEE 80-2013.. 1.3.. Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk menghasilkan sebuah sistem komputasi. berbasis komputer yang digunakan untuk merancang pentanahan grid GI dengan menyertakan beberapa pengaturan dan perhitungan tahanan jenis untuk areal tanah lapis dua sesuai dengan standar IEEE 80-2013.. 1.4.. Batasan Masalah Penelitian ini dilakukan dengan batasan-batasan pembahasan sebagai. berikut: a. Penelitian tidak melakukan pengukuran terhadap tahanan jenis tanah, tapi. menggunakan. data. tahanan. jenis. tanah. yang. sudah. diinterpretasikan sebagai tanah model lapis dua. b. Aplikasi yang dirancang tidak melakukan interpretasi terhadap model lapisan tanah. c. Modifikasi manual masih diperlukan pada saat terjadi perubahan rancangan awal. d. Konfigurasi tahanan grid yang digunakan adalah persegi, persegi panjang, dan konfigurasi L. e. Acuan tegangan langkah (step voltage) dan tegangan sentuh (touch voltage) adalah pada 70 kg berat badan manusia.. 5.

6. f. Perhitungan tahanan jenis pengganti untuk model tanah lapis dua menggunakan metode Sunde, Sullivan, dan Seedher g. Data tahanan jenis dan data GI yang digunakan bersumber dari dokumen standar IEEE 80-2013. h. Pengujian perhitungan tahanan jenis lapis dua menggunakan data tahanan jenis asumsi yang digunakan pada dokumen IEEE 80-2013.. 1.5.. Manfaat Penelitian Penelitian ini menghasilkan aplikasi yang dapat digunakan untuk. merancang sistem pentanahan GI dengan menyertakan perhitungan parameter tahanan jenis tanah model lapis dua. Aplikasi yang dihasilkan juga dapat digunakan sebagai instrumen penelitian dan pembelajaran sistem pentanahan grid GI.. 1.6.. Sistematika Penulisan Penulisan tesis ini disusun dengan sistematika sebagai berikut :. BAB I. : PENDAHULUAN, menguraikan latar belakang, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, serta sistematika penulisan;. BAB II. : DASAR TEORI, menguraikan berbagai teori yang berkaitan dengan gardu induk, standar IEEE 80-2013, impedansi dan arus gangguan, konduktor pentanahan, tahanan jenis tanah, tahanan pentanahan,. 6.

7. tegangan dan faktor geometri, arus dan potensial grid, dan perangkat lunak LabVIEW. BAB III : METODE PENELITIAN, berisi tentang diagram alir penelitian, tahapan perancangan dan pembuatan aplikasi, serta tahapan validasi aplikasi; BAB IV : HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN, berisi pembahasan mengenai. hasil. perancangan. aplikasi,. hasil. validasi. aplikasi,. pembahasan, analisis bagian rancangan sistem pentanahan dan analisis bagian tahanan jenis tanah, perbandingan spesifikasi aplikasi secara keseluruhan; BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN, berisi kesimpulan penulis terhadap hasil penelitian dan saran terhadap pengembangan penelitian;. 7.

8. BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA. 2.1. Gardu Induk Gardu induk (GI) adalah bagian dari sistem pembangkit, transmisi, dan. distribusi listrik. GI mengubah tegangan tinggi ke tegangan rendah atau sebaliknya, dan melakukan beberapa fungsi penting seperti mengontrol peralatan, generator, jaringan dan lain-lain. GI listrik dapat dibedakan berdasarkan fungsi utama, jenis peralatan, lokasi yang digunakan, dan berdasarkan konfigurasi bus GI [14]. 2.1.1. Tata letak komponen GI GI secara umum terdiri dari beberapa komponen dengan tata letak seperti. pada Gambar 2.1.. Gambar 2.1. Tata letak komponen GI [15] 1. Supply line/primery feeder (A). 7. Current measurement tranformer. 2. Ground wire. 8. Lighting arrester. 3. Overhead lines. 9. Main transformer. 4. Voltage measurement transformer. 10. Control building. 5. Disconnected switch. 11. Security fence. 6. Circuit breaker. 12. Secondary power lines (B). 8.

9. 2.1.2. Komponen dan tata sistem pentanahan grid GI Sistem pentanahan grid GI mencakup semua fasilitas pentanahan yang. saling terhubung di area GI, termasuk grid pentanahan (dalam beberapa literatur diistilahkan dengan earth mat), kabel ground-overhead, konduktor netral, kabel bawah tanah, fondasi, dan komponen lainnya [16]. Secara lengkap dijelaskan seperti pada Gambar 2.2. Komponen-komponen pada sebuah GI yang terhubung ke sistem pentanahan, antara lain pagar pelindung, panel pusat kendali, pelindung petir, dan panel SCADA.. Gambar 2.2. Komponen-komponen yang terhubung pada sistem pentanahan GI. Grid pentanahan terdiri dari konduktor tidak berisolasi yang terpasang secara horizontal dan konduktor rod pentanahan yang terpasang secara vertikal..

10. 2.1.3. Perancangan sistem pentanahan GI GI memiliki rancangan yang komplek meliputi beberapa aspek antara lain:. lingkungan dan lokasi, perencanaan sipil, mekanik, struktur, kelistrikan tegangan tinggi, kontrol dan proteksi serta komunikasi. Pada aspek kelistrikan tegangan tinggi sistem pentanahan GI adalah salah satu faktor yang sangat penting dari sisi keselamatan, stabilitas dan keamana sistem. Hal ini disebabkan karena sistem pentanahan GI berfungsi untuk menyediakan lingkungan kerja yang aman bagi semua orang di dalam GI dan untuk memastikan keselamatan orang lain yang mungkin berada di sekitar lokasi GI tetapi berada di luar garis pagar keamanan atau garis akses [14]. Fungsi lain dari sistem pentanahan GI adalah untuk melindungi stasiun dari sambaran petir langsung dan mengkondisikan agar penahan (arrester) yang terpasang dapat berfungsi secara efektif. Prinsip-prinsip utama perancangan dan sistem pentanahan GI ditemui pada standar IEEE 80-2013 [1]. Perancangan sistem pentanahan grid GI akan melibatkan banyak parameter dan perhitungan matematis yang komplek. Parameter-parameter yang digunakan pada sistem pentanahan grid GI terdiri dari impedansi, arus gangguan ke tanah, konduktor pentanahan, tahanan jenis tanah, tahanan pentanahan, tegangan sentuh, tegangan langkah, faktor geometri, arus dan potensial grid.. 2.2. Standar IEEE 80-2013 Standar IEEE 80-2013 berisi panduan keselamatan pada sistem penta-. nahan GI tegangan tinggi AC (Guide for Safety in AC Substation Grounding).

11. yang dikeluarkan oleh IEEE-SA Standar Board [1]. IEEE 80-2013 adalah revisi terbaru dari versi sebelumnya yaitu IEEE 80-2000 yang merupakan edisi ke-5 sejak 50 tahun dikeluarkan. Standar ini merupakan hasil dari dedikasi AIEE working group 56.1, IEEE working group 69.1, 78.1 dan D7. Beberapa tambahan pada revisi ini antara lain: perhitungan termal, panduan langkah perhitungan, dan penggunaan pembanding (benchmarks). IEEE 80-2013 menyertakan perhitungan kapasitas termal (TCAP) untuk jenis bahan konduktor yang tidak terdapat pada Tabel 2.1 [1]. Tabel 2.1. Konstanta material konduktor. Material. r. Conducti. factor at. vity (%. 20°C. IACS). (1/°C). Copper annealed soft drawn. 100. 0.00393. 234. 1083. 1.72. 3.42. Copper, commercial hard - drawn. 97. 0.00381. 242. 1084. 1.78. 3.42. Copper-clad steel wire. 40. 0.00378. 245. 1084. 4.4. 3.85. Copper-clad steel wire. 30. 0.00378. 245. 700. 5.86. 3.85. Copper-clad steel rod Aluminium EC Grade Aluminium 5005 alloy Aluminium 6201 alloy Aluminium-clad steel wire Steel, 1020 Stainless - clad steel rod Zinc-coated steel rod. 20 61 53.5 52.5. 0.00378 0.00403 0.00353 0.00347. 245 228 263 268. 1084 657 652 654. 8.62 2.86 3.22 3.28. 3.85 2.56 2.6 2.6. 20.3. 0.0036. 258. 657. 8.48. 3.58. 10.8. 0.0016. 605. 1510. 15.9. 3.28. 9.8. 0.0016. 605. 1400. 17.5. 4.44. 8.6. 0.0032. 293. 419. 20.1. 3.93. Stanless steel, 304. 2.4. 0.0013. 749. 1400. 72. 4.03. Description. K0 at 0°C (0°C). Fusing Temperat ure Tm (°C). r at 20°C( cm). TCAP Thermal Capacity [J/(cm³.°C]. Perubahan lainnya pada IEEE 80-2013 dari versi sebelumnya adalah penyertaan. panduan. tambahan. untuk. menggunakan. grafik. Sunde. dan.

12. menggunakan impedansi ekivalen dalam menentukan pengaruh arus gangguan lokal dan arus gangguan jauh (remote fault current). Benchmarks digunakan untuk membandingkan persamaan yang ada pada standar IEEE 80-2013 dengan hasil analisis software komersil. Fungsi lain dari benchmarks. adalah. untuk. menyediakan. panduan. pemahaman. terhadap. penggunaan software dalam aplikasi sistem pentanahan grid GI. Software benchmarks yang digunakan adalah CDEGS, ETAP, SGW, SDWorkstation, dan WinIGS dengan kemampuan masing-masing antara lain untuk analisis lapisan tanah, analisis grid, dan analisis faktor ground fault current division. Pada contoh perhitungan toleransi tegangan sentuh untuk pagar pelindung (grounding of substation fence) ada perbaikan perhitungan Cs sehingga mendapatkan nilai yang lebih akurat dengan menggunakan Persamaan (2.45). Disamping ketentuan diatas ada beberapa ketentuan dan batasan-batasan lain yang digunakan dalam perancangan sistem pentanahan grid GI. Ketentuan tersebut disajikan pada Tabel 2.2 [1]. Tabel 2.2. Kriteria parameter sistem pentanahan grid GI. No. 1.. 2.. 3.. Parameter Simbol Kriteria Diameter d Persamaan (2.9) Konduktor minimum Faktor Decrement Df  Nilai tipikal sesuai Tabel 2.3  Nilai Spesifik dengan Persamaan (2.14) Tegangan Sentuh Etouch Persamaan (2.42), (2.43) 50, Etouch 70. Besaran mm. -. Volt.

13. No. 4.. Parameter Tegangan Mesh. 5.. Tegangan Langkah Tegangan Langkah sebenarnya Arus Grid Maksimum. 6.. 7.. Nilai. tipikal. untuk. Simbol Kriteria Em Persamaan (2.46), Em <Etouch Estep50, Persamaan (2.54), (2.55) Estep70 Es Persamaan (2.56), Es <Estep. Besaran Volt. IG. Persamaan (2.60). Ampere. faktor. decrement. dapat. Volt Volt. ditentukan. dengan. menggunakan Tabel 2.3 [1]. Tabel 2.3 Nilai tipikal untuk faktor decrement Fault Duration tf. Faktor Decrement Df. Seconds. Cycles at 60 Hz. X/R=10. X/R=20. X/R=30. X/R=40. 0,0083. 0,5. 1,576. 1, 648. 1, 675. 1,688. 0,05. 3. 1,232. 1,378. 1,462. 1,515. 0,10. 6. 1,125. 1,232. 1,316. 1,378. 0,20. 12. 1,064. 1,125. 1,181. 1,232. 0,30. 18. 1,043. 1,085. 1,125. 1,163. 0,40. 24. 1,033. 1,064. 1,095. 1,125. 0,50. 30. 1,026. 1,052. 1,077. 1,101. 0,75. 45. 1,018. 1,035. 1,052. 1,068. 1,00. 60. 1,013. 1,026. 1,039. 1,052. Standar IEEE 80-2013 juga berisi panduan untuk merancang sistem pentanahan grid GI berupa 12 tahapan perhitungan seperti diuraikan seperti pada Gambar 2.3 [1]..

14. Gambar 2.3. Diagram alir 12-tahapan rancangan sistem pentanahan GI.. 2.3. Impedansi dan Arus Gangguan Arus gangguan fasa ke tanah yang melewati tempat terjadinya gangguan. akan mengalir melalui sistem pentanahan GI. Arus gangguan ini akan membangkitkan beda potensial antara permukaan tanah dengan titik sentuh (tegangan sentuh) dan juga beda potensial di titik yang berbeda pada permukaan tanah (tegangan langkah)..

15. 2.3.1. Arus gangguan tiga fasa ke tanah Besarnya arus gangguan fasa ke tanah dapat dituliskan dengan Persamaan (2.1) [1]:. I f 0  I f1  I f 2 . E 3R f  Z 0  Z1  Z 2. Ampere ……………… (2.1). I f  I f 0  I f1  I f 2 Dengan demikian arus gangguan simetris 3 fasa ke tanah adalah:. I f  3I f 0. Ampere………………………………………………. (2.2). Dimana : If0 adalah arus gangguan urutan nol (Ampere) If1 adalah arus gangguan urutan positif If2 adalah arus gangguan negatif E adalah tegangan fasa ke fasa dalam satuan Volt Rf adalah estimasi hambatan gangguan dalam satuan Ω (normalnya Rf diasumsikan 0) Z0 adalah impedansi ekivalen urutan nol Z1 adalah impedansi ekivalen urutan positif Z2 adalah impedansi ekivalen negatif. 2.3.2. Faktor split current Besarnya arus gangguan tidak simetris fasa ke tanah (asymmetrical grid current) yang diasumsikan berkelanjutan (sustained flow). dihitung dengan. Persamaan (2.4). Arus ini dipengaruhi oleh faktor Sf atau disebut juga division factor.. Sf . 3I f 0 Ig. I g  S f 3I f 0. …………………………………............................ (2.3). Ampere………………………………………….... (2.4).

16. Dimana: Sf adalah division factor dari arus gangguan Ig adalah nilai rms dari arus simetris dalam Ampere I0 adalah arus gangguan urutan nol dalam Ampere Persamaan faktor Sf dan impedansi ekivalen dapat ditulis seperti pada Persamaan (2.5) dan Persamaan (2.26) [1]:. Sf . Z eq Z eq  Rg. …………………………………….…………....... (2.5). dan, 1. Z eq . 1 Z eq 1. 2.4. . 1. Ohm…….…………………………………. (2.6). Z eq  f. Konduktor Pentanahan Parameter konduktor pentanahan terdiri dari ukuran diameter dan panjang. konduktor yang digunakan, baik pada jenis konduktor grid maupun jenis konduktor rod.. 2.4.1. Ukuran diameter konduktor Ukuran diameter konduktor dapat ditentukan berdasarkan jenis arus gangguan yang terjadi. Pada arus gangguan pentanahan simetris, luas penampang konduktor minimum pentanahan dapat ditentukan dengan menggunakan dua cara [1]. Cara pertama adalah cara sederhana berdasarkan nilai pendekatan menggunakan Persamaan (2.7). Cara kedua adalah dengan melibatkan konstanta material konduktor dihitung dengan Persamaan (2.8)..

17. A. I F .K c tc 1.97352. A. mm2…………………………………………..... (2.7). IF  TCAP .10 4   Ko  Tm    . ln    tc r  r .   Ko  Ta . mm2………………………... (2.8). Dimeter dalam satuan mm dapat dituliskan seperti pada Persamaan (2.9).. Amm 2. d 2. . mm………………………………………………. (2.9). Persamaan (2.8) dan (2.9) melibatkan parameter TCAP berdasarkan nilai konstanta material yang sudah ditentukan. Untuk konstanta material yang belum ditentukan TCAP dapat dihitung dengan Persamaan (2.10) [1]: TCAP  cp  . cal cm 3 C. ………………………................................. (2.10). Dimana: TCAP adalah kapasitas termal dalam cal3. cm C. cp adalah spesific heat dalam. atau. J cm 3 C. cal J atau gramC gramC.  dalah spesific density dalam. gram cm 3. 1 cal = 4.184 J Nilai konstanta material pada Tabel 2.1 adalah untuk material komposit seperti copper-clad steel yang nilai konstantanya merupakan nilai rata-rata dari masing-masing konstanta penghantarnya. Konstanta material komposit lainnya yang lebih spesifik ditentukan oleh parameter specific heat (SH) menggunakan.

18. Persamaan (2.11) dan parameter average density (AD) dihitung dengan Persamaan (2.12) [1]. SH adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu sebesar 1 ᵒC. SH biasanya terkait dengan material tertentu secara tersendiri. Jika setiap komponen dari campuran konduktor memiliki suhu yang sama, maka nilai ratarata dari SH dapat dihitung dengan Persamaan 2.11 [1]:. c pav  w1c p1  w2 c p 2. J/gram ᵒC………..………………. (2.11). Dimana:. c pav adalah rata-rata spesific heat. w1 adalah mass fraction dari material-1 w2 adalah mass fraction dari material-2. c p1. adalah specific heat dari material-1. c p 2 adalah specific heat dari material-2. Average density dari 2 buah material komposit dihitung dengan dengan menggunakan Persamaan (2.12) [1]:.  av . m1  m2 V 1V 2. g/cm3…………………………………………....... (2.12). Dimana:.  av adalah rata-rata spesific density m1 adalah berat dari material-1 m2 adalah berat dari material-2. adalah volume dari material-1 V2 adalah volume dari material-2. V1. Pada arus gangguan tak simetris dimana komponen dc offset yang ada dalam arus gangguan perlu dipertimbangkan maka ukuran konduktor dihitung dengan melibatkan faktor decrement (Df). Df dapat ditentukan untuk nilai tipikal.

19. X/R [1] menggunakan Persamaan (2.13) atau untuk nilai X/R yang lebih spesifik Df ditentukan dengan Persamaan (2.14). Df . IF If. ………………………………………………………. (2.13). Dimana: If adalah Arus gangguan tampa dc offset/simetris IF adalah Arus gangguan dengan adanya dc offset. t Df  1 a tf. 2 t f  1  e Tdc  .    . ………………………………………… (2.14). Tdc adalah konstanta waktu untuk dc offset dalam detik, (pada IEEE 802013 [1] disimbolkan dengan Ta) dalam hal ini disimbolkan dengan Tdc untuk menghindari kerancuan dengan variabel ambient temperature yang juga disimbolkan dengan Ta. ta = X/(ωR), tf adalah lamanya waktu gangguan yang terjadi dalam detik. 2.4.2. Panjang konduktor pentanahan Konduktor pentanahan yang digunakan pada sistem pentanahan GI terdiri dari konduktor yang terpasang secara vertikal (rod) dan konduktor batang yang terpasang secara horizontal (grid). Panjang keseluruhan konduktor batang atau konduktor rod (LR) dirumuskan dengan [1]: LR. = Lr x Nr Meter. Dimana: Lr adalah ukuran panjang satu rod (m) Nr adalah jumlah rod.

20. Jika konduktor rod dipasang pada sudut grid maka panjang total konduktor rod efektif (LRC) yang dikombinasikan dengan konduktor grid dapat dirumuskan dengan Persamaan (2.15) [1]:.   Lr LRC  1.55  1.22  Lx 2  Ly 2  .   L  R . Meter………………….. (2.15). Dimana: Lx adalah total panjang konduktor grid arah sumbu-x Ly adalah total panjang konduktor grid arah sumbu-y LR adalah total panjang konduktor rod Panjang konduktor yang terpasang secara horizontal searah sumbu-x dan sumbu-y (LC ) yang membentuk jaring atau grid dirumuskan dengan Persamaan (2.16) [1]: LC. = Lx+Ly. Meter…………………………………………… (2.16). Nilai Lx dan Ly tergantung dari konfigurasi geometri grid. Konfigurasi geometri yang umum digunakan adalah konfigurasi persegi, persegi panjang, L dan konfigurasi T. Konfigurasi grid persegi dan persegi panjang dijelaskan seperti pada Gambar 2.4.. (a) Grid bujur sangkar (b) Grid persegi panjang Gambar 2.4. Geometri grid persegi dan persegi panjang.

21. Total panjang konduktor searah sumbu-y dirumuskan dengan Persamaan (2.17) [1]: x  Ly    1 y D . Meter……………………………………………. (2.17). Grid dengan konfigurasi L seperti pada Gambar 2.5 dapat disamakan dengan susunan dari 2 buah grid dengan konfigurasi persegi panjang. Dengan demikian total panjang konduktor grid geometri L sama dengan penjumlahan dari kedua konfigurasi grid persegi panjang tersebut [1].. Gambar 2.5. Geometri grid L Lx=Lx1+Lx2 Ly=Ly1+Ly2.  y  Lx1    1 x  2D . Meter……………………………………….…... (2.18) (2.18a).  yx Lx 2    D2. Meter…………………………….…………..…. (2.18b). x y Ly1    1 D 2. Meter……………………………………..…….. (2.18c).

22.  x  Ly2    1 y  2D . Meter……...……………………………………. Panjang. konduktor. total. pentanahan. tertanam. (LT). (2.18d). yang. akan. mempengaruhi besarnya tahanan pentanahan Rg adalah: LT. = LC+LR. Meter…………………………………………... (2.19). Sedangkan panjang konduktor efektif yang akan mempengaruhi tegangan mesh (LM) dan untuk tegangan step (LS) masing masing dirumuskan dengan Persamaan (2.20) dan (2.21) [1]: LM = LC + LRC. Meter……………………………………. (2.20). LS=0.75 LC+0.85LR. Meter…………………………………… (2.20a). LC diperoleh dari Persamaan (2.16) dan LTR diperoleh dari Persamaan (2.15).. 2.5. Tahanan Jenis Tanah Besarnya tahanan dan gradien tegangan yang ada di GI secara langsung. tergantung pada tahanan jenis tanah (soil resistivity). Karena pada kenyataannya tahanan jenis tanah akan bervariasi secara horizontal dan juga secara vertikal, maka data yang memadai harus dikumpulkan untuk areal sekitar GI. Salah satu metoda yang banyak digunakan untuk mengukur tahanan jenis tanah yang bervariasi secara vertikal adalah metoda Wenner dengan 4 elektroda [17] ditunjukkan seperti pada Gambar 2.6. Pada pengukuran ini besarnya tahanan jenis dipengaruhi oleh Rw1…Rw4 (wire resistance), Re1…Re4 (electode resistance) dan Rs1…Rs3 resistansi tanah pada.

23. jarak s1…s3 (resistance between space). Pengaruh tahanan elektroda dan tahanan kabel perlu dipertimbankan untuk keakuratan hasil akhir pengukuran.. (a) Sketsa pengukuran (b) Rangkaian ekivalen Gambar 2.6. Metoda Wenner untuk pengukuran tahanan jenis tanah.. Hasil perbandingan antara tegangan dan arus V/I merupakan nilai resistansi pentanahan R dalam Ohm. Besarnya tahanan jenis tanah berdasarkan hasil pengukuran (measurement) dirumuskan dengan Persamaan (2.21) [1]:27.  sm  2.h i. V I.  sm  2.hR i. Ohm. Meter Ohm. Meter……………………………………… (2.21). Dimana : h adalah kedalaman konduktor.  smi adalah tahanan jenis berdasarkan pengukuran pada setiap space (s) ke- i.. 2.5.1. Tahanan jenis tanah lapis seragam. Model tanah yang seragam (uniform) dapat digunakan sebagai pengganti. model tanah lapis dua apabila perhitungan tahanan jenis lapis dua atau lebih tidak.

24. tersedia. Akan tetapi dalam hal ini, batas atas kesalahan pada semua parameter pentanahan sulit untuk diperkirakan secara umum. Jika perbedaan tahanan jenis lapisan tanahnya rendah, maka nilai tahanan jenis tanah rata-rata dapat digunakan sebagai perkiraan awal. Perkiraan tahanan jenis tanah yang tidak seragam berdasarkan model tanah seragam dapat dihitung dengan mengunakan rata-rata aritmatika dari seluruh data hasil pengukuran tahanan jenis menggunakan Persamaan (2.22)[1]:. a. N. ( av ). . a. (N ). N. 1. Ohm. Meter………………………………….. (2.22). Dimana :.  a adalah hasil pengukuran tahanan jenis dengan jarak yang (N). berbeda-beda dalam satuan Ohm.meter. N adalah jumlah pengukuran dengan berbagai jarak.. Pengukuran tahanan jenis tanah dapat dilakukan baik secara horizontal dengan metoda empat elektroda maupun secara vertikal dengan metoda driven ground rod [1]. Metoda lain untuk menentukan perkiraan tahanan jenis tanah tidak seragam adalah dengan menggunakan nilai batas atas dan batas bawah. Tahanan jenis pengganti dirumuskan dengan Persamaan (2.23) [6].. 2. ( av 2 ). . Dimana:. a. (max).   a (min). Ohm. Meter……………………………. (2.23). 2  a (max) adalah nilai tahanan jenis maksimum (dari data pengukuran) dalam satuan Ω·m.  a (min) adalah nilai tahanan jenis semu minimum (dari data pengukuran) dalam satuan Ω·m..

25. Persamaan (2.23) tidak dianjurkan untuk pentanahan grid yang tidak menggunakan rod [1]. 2.5.2. Tahanan jenis tanah lapis dua Pendekatan dengan model tanah lapis dua (two-layer soil resistivity). dilakukan untuk tingkat keragaman lapisan tanah yang sedang (moderate nonuniform soil). Model tanah lapis dua melibatkan parameter faktor refleksi k (reflection factor) atau dalam literatur lain disebut koefisien refleksi. Untuk jumlah lapisan tanah sebanyak N-lapisan, maka k akan ada sebanyak N-1 (1<i< N-1). Untuk N lapisan tanah, k dirumuskan dengan Persamaan (2.24) [1]:. ki .  i1   i  i1   i. .................................................................................. (2.24). Dengan demikian koefisien refleksi ki untuk tanah lapis dua (N=2) dirumuskan dengan: i= N-1, i = 2-1=1,. k1 . 11  1 11  1. k1 .  2  1  2  1. Terdapat beberapa metoda yang dapat digunakan untuk menghitung parameter tanah lapis dua. Salah satu metoda yang digunakan pada penelitian ini adalah metoda J.A. Sullivan [6]. Pada metoda ini perhitungan tahanan jenis dibedakan berdasarkan nilai k. Untuk k < 0. a . 1 1    Ohm.Meter……………… (2.25)   k (d  2h )  1 1    1  1  e      2   .

26. Dimana: d adalah kedalaman dari lapisan atas h adalah kedalaman grid. Untuk k > 0 1      k ( d  2h )  2    a   2 1    1  1  e     1   . Ohm.Meter……………. (2.26). Persamaan (2.25) dan (2.26) berlaku untuk batas kedalaman yang sama dengan atau lebih besar dari kedalaman grid. Pada kedalaman yang lebih rendah, konstanta 2h dalam indeks eksponensial dihilangkan untuk perhitungan tahanan jenis tanah yang lebih tepat. Metoda kedua yang digunakan pada penelitian ini adalah metode Infinite Wenner Resistifity Expression, Seedher [7].  1   1  a  1 (1  41    B  n 1  A. Ohm.Meter……………………. (2.27). 2.  2nh  A  1   1  , B  A  3 …………………………………………. (2.28)  s  B  A 3. Metoda ketiga untuk model tanah lapis dua yang juga digunakan dalam penelitian ini adalah dengan diagram Sunde [1]. Parameter ρ1 dan ρ2 diperoleh dengan melakukan inspeksi terhadap grafik hasil pengukuran tahanan jenis terhadap jarak elektroda..

27. Metoda Sunde menentukan parameter kedalaman lapisan atas (h) dengan langkah-langkah berikut: 1. Plot grafik tahanan jenis ρa (Ohm.Meter) pada sumbu-y dan jarak elektroda s (meter) pada sumbu-x seperti pada contoh Gambar 2.7.. Gambar 2.7. Grafik tahanan jenis terhadap jarak elektroda. 2. Perkirakan nilai ρ1 dan ρ2 dari grafik yang diplot pada langkah-1. Tahanan jenis dengan jarak yang lebih kecil adalah ρ1 dan untuk jarak yang lebih besar adalah ρ2. Perpanjang grafik tahanan jenis pada kedua ujung jika data dari pengukuran tidak mencukupi. 3. Tentukan nilai ρ2/ρ1 dan pilih kurva yang paling sesuai pada grafik karakteristik tanah lapis dua Sunde seperti pada contoh Gambar 2.8. Jika tidak terdapat kurva yang sesuai, maka untuk menentukan nilai ρ2/ρ1 gambarkan kurva baru pada grafik Sunde seperti pada contoh Gambar 2.9.a (kurva warna merah).

28. Gambar 2.8. Grafik karakteristik default tanah lapis dua Sunde 4. Pilih nilai ρa/ρ1 (sumbu-y) pada bagian miring dari kurva ρ2/ρ1 yang sesuai seperti ditunjukkan pada Gambar 2.9.b (garis putus-putus warna biru). 5. Baca nilai a/h pada sumbu-x. 6. Hitung ρa dengan cara mengalikan nilai ρa/ρ1 dengan nilai ρ1,  a . a  1 1. (ρa/ρ1 diperoleh dari langkah-4). 7. Baca jarak probe pada grafik pengukuran tahanan jenis seperti pada Gambar 2.6 yang bersesuaian dengan nilai ρa pada langkah-6. 8. Hitung kedalaman lapisan atas dengan membagi nilai a yang diperoleh dari langkah ke-7 dengan nilai a/h yang diperoleh dari pembacaan grafik langkah-5, h . a . a/h.

29. (a) Penambahan kurva baru (b) Penentuan nilai ρa/ρ1 Gambar 2.9. Kurva karakteristik tambahan pada pada grafik Sunde. Dari beberapa metoda yang telah dibahas terdapat beberapa perbedaan. Metoda Sunde menghitung paremeter ketinggian lapisan h1 dan av dengan menentukan parameter av. Metode Sullivan menghitung tahanan jenis av dengan menentukan lapisan h1 dan melibatkan parameter kedalaman grid hs. Sementara metoda Seedher melibatkan parameter s dan h1 dalam menghitung besarnya av.. 2.6. Tahanan Pentanahan ANSI maupun IEEE tidak menentukan nilai maksimum tertentu tahanan. pentanahan untuk sebuah GI. IEEE Std 80 hanya mempersyaratkan tegangan sentuh dan tegangan langkah yang harus berada pada batas atau kriteria yang ditentukan yaitu Em <Etouch dan Es <Estep (Tabel 2.2). Batasan nilai tahanan ini sifatnya adalah rekomendasi atau anjuran. Rekomendasi nilai tahanan pentanahan.

30. (RG) maksimum dari National Electrical Code® (NEC®) NFPA-70 adalah antara 1 ohm sampai dengan 5 ohm secara umum untuk GI, gedung dan instalasi komersial (large commercial installations) [18]. Canadian Electrical Code (CEC) pada CSA C22.1 menetapkan kriteria tahanan pentanahan lebih kecil dari 1 ohm [18]. Persyaratan Umum Instalasi Listrik (PUIL) 2000 tidak menyebutkan secara spesifik batasan tahanan pentanahan untuk GI. Pada bagian 3.13.2.10 PUIL 2000 hanya mempersyaratkan tahanan pentanahan total sistem tidak lebih dari 5 Ohm dan dapat mencapai 10 Ohm untuk daerah dengan tahanan jenis tanah yang tinggi [19]. Beberapa peralatan membutuhkan batasan tahanan pentanahan tersendiri, seperti jalur komunikasi, SCADA, dan jalur kendali lainnya yang terhubung ke GI. Oleh sebab itu tahanan pentanahan harus dibatasi untuk menjaga kenaikan potensial ground (GPR) dalam batas yang aman. Perhitungan tahanan pentanahan dapat ditinjau dari segi jenis pendekatan lapisan tanah yang digunakan, tanah lapis seragam atau tanah lapis tidak seragam.. 2.6.1. Tahanan pentanahan tanah lapis seragam Besarnya nilai tahanan pentanahan untuk tanah lapis seragam dapat. diperkirakan dengan menggunakan pendekatan batas miminum atau pendekatan batas maksimum. Pendekatan nilai minimum adalah pendekatan yang hanya melibatkan parameter luas areal grid dan tahanan jenis tanah. Pendekatan ini dapat dihitung dengan menggunakan rumus H.B. Dwight. Perhitungan ini didasarkan.

31. pada sebuah pelat logam bundar dengan kedalaman h adalah nol meter dirumuskan pada persamaan (2.29) [1].. Rg .   4 A. Ohm……………………………………………… (2.29). Dimana: Rg adalah resistansi pentanahan GI dalam ohm ρ adalah tahanan jenis tanah dalam satuan ohm.meter A adalah luas areal yang meliputi pentanahan grid dalam satuan m2. Pendekatan nilai batas maksimum dapat dihitung dengan menggunakan formula Laurent-Niemann Persamaan (2.30). Perhitungan ini sudah melibatkan parameter panjang konduktor. Jika grid dan rod dikombinasikan pada lapisan tanah yang seragam maka gabungan panjang grid dan rod akan menghasilkan estimasi panjang total penghantar LT yang sedikit berbeda karena perhitungan tahanan rod biasanya lebih efektif didasarkan pada parameter satuan panjang h. Sverak mengembangkan Persamaan (2.30) menjadi Persamaan (2.31) dengan memasukkan variabel kedalaman grid (h).. Rg .   4. A. .  1 Rg      LT  .  LT. Ohm………………………………………….     1  1  1 20 A  20   1 h  A  . (2.30). Ohm…………………. (2.31). Schwarz [1] kemudian membuat Persamaan (2.32) dan Persamaan (2.33) untuk tahanan pentanahan lapis seragam dengan melibatkan parameter konduktor grid (Rgg) dan konduktor rod (Rgr). Schwarz kemudian merumuskan persamaan.

32. tahanan mutual Rgm dengan Persamaan (2.34). Total nilai tahanan (Rg) dihitung dengan Persamaan (2.35) sebagai kombinasi antara tahanan konduktor horizontal (grid), tahanan konduktor vertikal (rods) dan tahanan mutual Rgm . Tahanan pentanahan konduktor grid dirumuskan dengan Persamaan (2.32) [1].. Rgg .  LC. Lc   2 LC   ln  a '   K1 A  K 2     . Ohm…………………... (2.32). Dimana : Lc adalah panjang total konduktor grid (meter) a’ adalah a.2h atau sama dengan a jika konduktor terpasang dipermukaaan tanah, dimana h≈0 a adalah jari-jari konduktor, d = 2a K1,K2 adalah koefisien rasio xy ditentukan berdasarkan grafik Gambar 2.10 Rgg adalah tahanan pentanahan konduktor grid dalam satuan Ohm Koefisien K1 pada Gambar 2.10.a dapat ditentukan berdasarkan salah satu kurva A, B, atau C. Kurva A diproleh dari persamaan Dwight [1] y A  0.04 x  1.41 untuk. kedalaman grid h. Kurva B dan kurva C menggunakan. persamaan McCrocklin untuk kedalaman grid h =. 1 1 A dan h = 6 10. A. y B  0.05x  1.20 , yC  0.05x  1.13 [1].. Koefisien K2 seperti pada Gambar 2.10.b ditentukan berdasarkan kurva A, B, atau C untuk kedalaman grid h=0, h= 1 A , dan h= 1 A dengan persamaan 10. y A  0.15x  5.5 , y B  0.10 x  4.68 , dan. 6. yC  0.05x  4.40 ..

33. (a) Koefisien K1 (b) Koefisien K2 Gambar 2.10. Grafik koefisien K dengan rasio panjang dan lebar grid. Tahanan pentanahan konduktor rod dirumuskan Persamaan (2.33) [1].. Rgr . . 2 K1  Lr   4 Lr  ln   1  2N r Lr   b  A. . . 2 Nr 1   Ohm…... (2.33). Dimana : Lr adalah panjang satu rod (m) Nr adalah jumlah rod Rgr adalah tahanan pentanahan rod bed dalam ohm. 2b adalah diameter konduktor rod. Tahanan pentanahan bersama (mutual groud) Rmg antara grid dan rod dirumuskan dengan Persamaan (2.32) [1]:. Rmg .     2 Lc  K1  Lc    K 2  1 ln  Lc   Lr  A . Ohm……………... (2.34). Dimana: Rmg adalah tahanan bersama antar grid dan rod dalam satuan Ohm..

34. Schwarz merumuskan nilai total tahanan pentanahan Rg sebagai kombinasi dari Rgg , Rrg dan Rmg dengan Persamaan (2.35) [1]:. Rg . 2.6.2. Rgg Rgr  Rgm. 2. Rgr  Rrr  2 Rgm. Ohm…………………………………… (2.35). Tahanan pentanahan lapisan tanah tidak seragam Tahanan pentanahan untuk tanah dengan lapisan tidak seragam dapat. dihitung dengan menggunakan pendekatan tanah lapis dua. Salah satu cara untuk menghitung nilai resistansi pentanahan lapis dua adalah dengan menggunakan metoda perhitungan elektroda. Metoda ini menghitung tahanan pentanahan lapis atas dan lapis bawah secra terisah. Resistansi lapisan atas (Rg1) dan resistansi lapisan kedua (Rg2) dirumuskan dengan Persamaan (2.36) dan Persamaan (2.37) [6]: Rg1 . Rg 2 . 1 h  hg. g0. 2 1  hg  h. F 1   N h. g0. F N. Ohm……………….………………... (2.36). Ohm…………..………………………... (2.37). Dimana : a adalah radius dari driven rod hg adalah kedalaman dari grid dari permukaan tanah h adalah kedalaman lapisan atas l/Lr adalah panjang elektroda rod F adalah faktor untuk N rods. Nilai g0, F, Rs , dan Φ ditentukan oleh Persamaan (2.38) sampai dengan Rl. Persamaan (2.41) [6]:.

35.    1  2l ln 2  ln  1   g0  ( 2 ln 2)h  2  a 1   l  . ………………………… (2.38) …... ………………………………...………. 1  Rs  F 1  N   N  Rl . (2.39) .. 1. Rs  Rl. . 3 3 1 l    3   0 . 5      r   l  0.5r   2g 0. 1  1   ln  2  1  k . (2.40) ... ….……………………….………. N   l  hg   1   1  F   h  2. ……………………………...…. (2.41). 2. …... Dengan demikian RG adalah nilai tahanan paralel antara Rg1 dan Rg2.. 2.7. Tegangan dan Faktor Geometri Parameter tegangan pada sistem pentanahan menjadi faktor penentu akhir. apakah sistem pentanahan yang dirancang memenuhi kriteria yang diizinkan atau tidak. Parameter tegangan terdiri dari tegangan sentuh dan tegangan langkah.. 2.7.1. Tegangan sentuh Tegangan sentuh adalah tegangan yang timbul sebagai akibat dari. perbedaan potensial dua titik secara vertikal yang muncul dalam sistem, baik yang muncul pada peralatan maupun yang dirasakan oleh manusia. Standar toleransi.

36. tegangan sentuh yang diizinkan dengan asumsi berat badan manusia 50kg dan 70 kg dihitung dengan menggunakan Persamaan (2.42) dan (2.43) [1].. Etouch50  1000  1.5Cs   s  . 0.116 tf. Etouch70  1000  1.5C s   s  . 0.157 tf. Volt. Volt. (2.42). (2.43). Cs adalah faktor reduksi nilai tahanan jenis permukaan tanah (surface layer derating factor) yang mempengaruhi tegangan sentuh sebagai efek dari penggunaan lapisan material dengan tahanan jenis ρs pada permukaan tanah dengan ketinggian hs. Nilai Cs dapat diperoleh dengan beberapa cara. Pertama dengan menggunakan persamaan empiris, yaitu Persamaan (2.44) dan yang kedua dengan menggunakan persamaan analitis, yaitu Persamaan (2.45) [1]..    0.091   s   Cs  1  2  hs  0.09. ………………………………………… (2.44). Dimana: ρs adalah tahanan jenis permukaan material (lapisan batu koral), (Ohm-m) tf adalah durasi/lama gangguan (waktu pemutusan), (s) hs adalah ketebalan lapisan material pentanahan Pemilihan tf dan ts harus menghasilkan kombinasi yang paling pesimistis (kemungkiran terburuk) dari faktor decrement arus gangguan dan batas maksimal arus pada tubuh (allowable body current). Nilai tipikal untuk tf dan ts berkisar antara 0.25 detik sampai 1.0 detik [1]..

37. Metoda penentuan nilai faktor reduksi Cs yang kedua adalah dengan metoda analitis. Metoda ini memiliki akurasi 5% dari metoda empiris [1].. Cs  1 . 16b. s.  k . n 1. n. Rm ( 2 nh). . …………………………………... (2.45). Dimana:. Rm( 2nh) adalah resistansi pentanahan bersama antara dua plat b k. coaxial identik yang dipasang dengan jarak paralel 2nh adalah radius dari piringan logam berbentuk lingkaran yang merepresentasikan jejak kaki dalam satuan m adalah koefisien refleksi, nilainya dari Persamaan (2.23). Tegangan sentuh pada Persamaan (2.42) dan (2.43) adalah batasan tegangan sentuh maksimal yang diizinkan. Untuk tegangan sentuh sebenarnya atau disebut juga tegangan mesh ditentukan dengan Persamaan (2.46). Tegangan sentuh sebenarnya menyatakan tegangan tertinggi yang mungkin muncul pada sistem pentanahan GI. Tegangan inilah yang akan digunakan sebagai dasar sesungguhnya dalam perancangan sistem pentanahan grid GI [1].. Em .   K m  Ki  I G LM. Dimana: Em ρ Km Ki If LM. Volt…………………………………….. (2.46). adalah tegangan sentuh (volt) adalah tahanan jenis tanah (Ω-m) adalah faktor geometrik tegangan mesh adalah faktor korektif (corrective factor for current irregularity) adalah arus gangguan ke tanah (Ampere) adalah panjang total konduktor mesh efektif tertanam. Km pada Persamaan (2.46) adalah faktor terkait dengan konduktor grid dan konduktor rod (faktor geoetri) pada sistem pentanahan GI yang berpengaruh.

38. secara langsung pada besarnya tegangan sentuh dan tegangan langkah sebenarnya. Faktor Geometri tegangan mesh Km dinyatakan dengan persamasan (2.47) [1]. Km . 1 2.   D2  ( D  2h) 2 h  Kii  8 ln    ln     ………...(2.47)  8.D.d 4.d  K h  (2n  1)   16.h.D. Dimana: Kh adalah faktor koreksi kedalaman grid (effects of grid depth) Kii adalah faktor koreksi posisi rod (effects of inner conductors on the corner mesh) D adalah jarak antara konduktor paralel d adalah diameter dari konduktor dalam meter. Faktor lain yang muncul karena perbedaan antara grid sebenarnya dengan model grid dalam rancangan adalah faktor yang berkaitan dengan konfigurasi grid (grid shape) Ki , efek kedalaman grid Kh, dan efek penempatan rod pada titik sudut grid Kii. Faktor Ki ,Kh dan Kii dihitung dengan Persamaan (2.48)-( 2.53). Thapar [20] menentukan pendekatan nilai Ki untuk sebagian besar konfigurasi persegi dan juga persegi panjang dengan Persamaan (2.48). Ki  0.644  0.18n. ……………………………………………... (2.48). Dimana n adalah jumlah konduktor paralel dalam satu arah.. Secara umum nilai Ki ditentukan degan Persamaan (2.49) [1]. Ki  0.656  0.172n. ………………………………………. (2.49). Nilai n meruakan nilai gabungan dari beberapa faktor yang secara keseluruhan ditentukan oleh persamaan (2.50)..

39. n  na  nb  nc  nd na . nb . 2 Lc Lp. ……………………………………………. (2.50). …...…………………………………………………. (2.51a) (2.51). Lp. ……………………………………………………. (2.51b). 4 A. 0.7 A.  L L  Lx L y nc   x y   A  nd . Dm L x  L2 y 2. Dimana : Lp A Lx Ly Dm. ………………………………………………… (2.51c). ….……….…………………………………… (2.51d). adalah panjang periperal dari grid (m) adalah luas areal grid (m2) adalah panjang maksimum grid dalam arah sumbu-x (m) adalah panjang maksimum grid dalam arah sumbu-y (m) adalah jarak maksimum antara dua titik pada grid (m). Dm adalah jarak maksimum antara dua titik tertentu yang berada dalam grid. Hal ini dijelaskan seperti pada Gambar 2.11 dengan geomerti T [20].. Gambar 2.11. Jarak maksimum antara dua titik pada grid.

40. Kedalaman pemasangan grid dari permukaan tanah akan mempengaruhi besarnya tegangan sentuh. Besarnya pengaruh kedalaman pemasangan grid disebut faktor koreksi Kh (Corrective weighting effects of grid depth) [1].. Kh .  A. . h h0. …...……………………………………………….. (2.52). Dimana h0 adalah 1m (referensi kedalaman grid).. Faktor lain yang mempengaruhi tegangan sentuh adalah faktor koreksi Kii (Corrective weighting effects of inner conductors on the corner mesh). Faktor ini dipengaruhi oleh posisi penempatan rod pada titik sudut grid. Jika sistem pentanahan grid tidak memiliki rod maka nilai Kii = 1 [1].. K ii . 1. 2n n. 2. …...……………………………………………….... (2.53). Dimana Kii =1 ( untuk grid tanpa rod ).. 2.7.2. Tegangan langkah Tegangan langkah (step voltage) adalah tegangan yang muncul saat terjadi. arus gangguan yang menimbulkan beda potensial antara dua titik secara horizontal di permukaan tanah. Tegangan langkah ini terdiri dari tegangan langkah yang diizinkan untuk keamanan manusia dirumuskan dengan Persamaan (2.54)-(2.55) dan tegangan langkah sebenarnya dirumuskan dengan Persamaan (2.56) [1].. Estep50  1000  6  Cs   s  . 0.116 tf. Volt…………………….. (2.54).

41. Estep70  1000  6  Cs   s  . 0.157 tf. Volt…………………….. (2.55). Besarnya tegangan langkah sebenarnya yang akan muncul pada permukaan tanah sebanding dengan arus gangguan tanah yang terjadi [1].. Es .   K s  Ki  I G. Volt…………………………………….. (2.56). Ls. Dimana: Ks adalah faktor geometrik tegangan langkah Ls adalah total panjang efektif konduktor tertanam yang mempengaruhi tegangn step Ks diperoleh dari Persamaan (2.57) [1].. Ks . 11 1 1    1  0.5n 2  ………………………... (2.57)    2h D  h D . Panjang konduktor efektif Ls merupakan perpaduan antara panjang konduktor grid dan panjang konduktor rod yang mempengaruhi tegangan langkah dengan komposisi yang dirumuskan pada Persamaan (2.58) [1]. Ls  0.75Lc  0.085LR. 2.8. Meter……………………………………… (2.58). Arus dan Potensial Grid Arus grid maksimum (IG) adalah arus maksimum yang mengalir dari. pentanahan grid ke lapisan tanah sekitarnya (surrounding earth).. I G  D f  Sf  3  I f 0. Ampere………….……………………………. (2.59).