BAB VIII SISTEM PEMBUMIAN
1. Faktor Pengaruh dalam Sistem Pembumian
Ada empat faktor yang mempengaruhi tahanan pembumian suatu elektroda, yaitu sebagai berikut.
a. Tahanan elektroda pada sistem pembumian berikut dengan sambungan pengelasan elektrodanya.
b. Tahanan kontak antara elektroda dengan tanah.
c. Tahanan penghantar (bare conductor/BC) yang menghubungkan antara peralatan yang ditanahkan.
d. Tahanan dari massa tanah di sekeliling elektroda pembumian tersebut.
Faktor terbesar yang mempengaruhi adalah tahanan pembumian pada resistansi pembumian, jika dibandingkan dengan tahanan elektrodanya.
Pada kondisi ideal, suatu nilai tahanan dari sistem pembumian diharuskan sekecil mungkin (kisaran < 5 ‐). Akan tetapi faktanya di lapangan pada setiap hasil penelitian tidak selalu mendapatkan nilai ideal tersebut pada tahanan pembumiannya, hal ini dikarenakan banyak faktor yang mempengaruhi resistansi pembumian itu sendiri.
Harapannya elektroda pembumian yang ditanamkan ke dalam tanah memiliki tahanan yang rendah,. Faktor internal dan faktor eksternal merupakan hal yang mempengaruhi nilai tahanan pembumian tersebut.
a. Faktor Internal
1) Struktur elektroda.
Ada bermacam-macam struktur atau bentuk dari elektroda yang aplikasikan saat ini, seperti bentuk elektroda yang berjenis batang, plat, dan pita.
2) Bahan dan ukuran elektroda.
Pemilihan elektroda diharuskan berdasarkan kualitas bahan pembuatnya. Bahan elektroda haruslah memiliki nilai hantar sangat baik dan tahan akan kerusakan yang diakibatkan oleh tanah, korosi misalnya.
Hal tersebut merupakan konsekuensi dari elektroda yag harus dipenuhi dikarenakan elektroda peletakannya ada di dalam tanah. Efektifitas kontak dengan tanah menjadi referensi dalam pemilihan ukurannya.
Permukaan elektroda dimaksimalkan untuk bersentuhan dengan tanah
162 TEKNIK JARINGAN TENAGA LISTRIK
MATERI PEMBELAJARAN
Dengan keterangan sebagai berikut.
R = nilai resistansi pembumian (Ω) = nilai resistansi jenis tanah (Ωm)
L = jumlah panjang penghantar arus pada tanah (m) A = luas penampang penghantar arus pada tanah (m2)
Besar tahanan pembumian ditentukan oleh ukuran elektroda pembumian. Dalam memilh jenis, bahan, dan luas penampang elektroda pembumian dapat melihat tabel di bawah ini. Selain itu, tabel berikut ini juga memberikan informasi tentang ukuran elektroda pembumian yang banyak digunakan dalam sistem pembumian.
Tabel 8.1 Spesifikasi jenis elektroda pembumian Jenis
Elektroda
Bahan Baja Berlapis
Seng
Baja Berlapis
Tembaga Tembaga
Elektroda Pita
Pita baja 100 mm2, tebal 3 mm, hantaran pilin 95 mm2
50 mm2 Pita tembaga 50 mm2, tebal 2 mm, hantaran pilin 35 mm2
Elektroda Batang
Pipa baja 1”
Baja profil L 65x65x7, U 6
½ T6, X 50x3
Baja ф 15 mm dilapisi tembaga 2,5 mm
Elektroda Plate
Pelat besi tebal 3 mm, luas 0,5- 1 mm2
Pelat tembaga tebal 2 mm, luas 0,5-1 m2
Sumber: digilab.polban.ac.id
Tabel 8.2 Ukuran penampang penghantar sistem pembumian Luas Penampang Penghantar
Fasa Instalasi S (mm2)
Luas Penampang Minimum Penghantar Proteksi Yang Berkaitan
Sp (mm2)
S ≤ 16 S
16 ≤ S ≤ 35 16
S > 35 S/2
Sumber: digilab.polban.ac.id
3) Konfigurasi atau jumlah elektroda.
Penambahan jumlah elektroda dengan beragam konfigurasi pemancangannya di dalam tanah atau dikenal dengan istilah metode paralel, dapat digunakan untuk mendapatkan nilai tahanan pembumian yang ideal atau jika saat nilai tahanannya tidak memenuhi standar yang ditentukan dengan satu elektroda. Menurut PUIL 2000-3.19.1.4,
JARINGAN DISTRIBUSI TENAGA LISTRIK
MATERI PEMBELAJARAN
JARINGAN DISTRIBUSI TENAGA LISTRIK
penambahan batang elektroda dapat ditambahkan jika hasil pengukuran belum mencapai 5 Ω, dengan jarak dua kali panjang elektrodanya.
4) Penanaman di dalam tanah atau kedalaman pemancangan.
Jenis dan sifat-sifat tanah sangat berpengaruh dalam menentukan kedalaman pemancangan elektroda pembumian. Untuk jenis tanah yang kering dan berbatu sangat efektif jika ditanam secara dalam, namun untuk tanah dengan jenis seperti tanah rawa, tanah liat, dan lain lain, cukup hanya ditanam secara dangkal.
b. Faktor Eksternal
1) Sifat geologi (karakteristik) tanah.
Nilai tahanan jenis tanah yang terukur berdasarkan ohm-meter adalah nilai dari kekuatan hantar arus listrik bumi yang didefinisikan sebagai resitansi dalam satuan ohm, antara permukaan yang berlawanan dari suatu kubus dalam satuan satu meter kubik. Keseluruhan hal tersebut dinyatakan sebagai nilai resistansi dari bumi.
Tahanan jenis tanah mempunyai beberapa manfaat, yaitu sebagai berikut.
a) Dapat mengidentifikasi lokasi pertambangan, kedalaman bebatuan, ataupun kejadian geologi lainnya berdasarkan data yang diperoleh dari survei atau perhitungan geofisika di bawah permukaan tanah.
b) Mengetahui tingkat korosi yang terjadi di dalam tanah. Hal ini dapat diketahui, karena nilai tahanan jenis tanah yang semakin meningkat nilainya sebanding dengan aktivitas korosi yang terjadi di tanah tersebut. Pengetahuan mengenai kororsi tanah ini dapat mengantisipasi terjadinya korosi pipa-pipa bawah tanah dikarenakan nilai tahanan jenis tanahnya tersebut.
c) Instalasi pembumian dapat bernilai ekonomis, ketika sistem pembumian tersebut di tempatkan pada lokasi yang mempunyai tahanan jenis tanah yang kecil. Hal ini dikarenakan adanya pengaruh langsung antara tahanan jenis lapisan tanah dengan sistem pembumian.
Tahanan jenis tanah direpresentasikan dengan simbol ‐, yaitu faktor keseimbangan antara tahanan pembumian dengan kapasitansi di sekitarnya. Adapun faktor yang mempengaruhi nilai tahanan jenis tanah dalam kedalaman tertentu adalah sebagai berikut.
a) Jenis tanah.
b) Lapisan tanah.
c) Komposisi kimia dari larutan garam dalam kandungan air.
d) Kelembaban tanah.
e) Temperatur.
f) Kepadatan tanah.
164 TEKNIK JARINGAN TENAGA LISTRIK
MATERI PEMBELAJARAN
Tabel 8.3 Nilai Tipikal Tahanan Jenis Tanah
Jenis Tanah Tanah Rawa
Tanah Liat dan
Tanah Ladang
Pasir Basah
Kerikil Basah
Pasir dan Kerikil Kering
Tanah Berbatu Resistansi
Jenis (Ωm) 30 100 200 500 1000 3000
Sumber: LMK, PUIL, 2000
Sifat-sifat tanah yang akan dipasang elektroda pembumian adalah hal pertama yang harus diketahui sebelum melakukan tindakan lain, hal ini bertujuan untuk mengetahui resistansi jenis pembumian tersebut.
Perubahan musim dapat mempengaruhi karakteristik atau sifat dari tanah, sehingga dalam perancangan sistem pembumian perlu mempertimbangkan hal tersebut. Patokan yang digunakan adalah kondisi di mana tahanan jenis pembumian tetap memenuhi syarat dan harus mengetahui jenis musim seperti apa yang memiliki nilai tahanan jenis pembumian yang tinggi. Rumus tahanan jenis tanah adalah sebagai berikut.
Dengan keterangan sebagai berikut.
‐ = tahanan jenis tanah (Ωm) R = tahanan pembumian (Ω)
L = panjang penghantar pembumian (m)
a = Jari-jari batang penghantar pembumian (m) 2) Kandungan dan komposisi zat kimia dalam tanah.
Kandungan zat organik ataupun zat anorganik yang dapat larut atau terlarut dalam tanah sangat perlu untuk diperhitungkan. Tahanan jenis tanah yang tinggi dimiliki oleh daerah yang mempunyai tingkat curah hujan tinggi, hal ini dikarenakan adanya kandungan garam pada lapisan atas biasanya ikut larut bersama air hujan. Sehingga, pada daerah ini menanam elektroda pada kedalaman yang lebih dalam dapat diperoleh pembumian yang efektif.
3) Kandungan air tanah.
Penanaman elektroda sampai pada kedalaman di mana terdapat air tanah dapat dilakukan untuk pembumian. Hal ini bertujuan agar perubahan musim tidak terlalu mempengaruhi variasi nilai tahanan jenis tanah. Adakalanya di sekitar elektroda pembumian kelembaban dan temperatur bervariasi, sehingga keadaan yang paling buruk, yaitu keadaan tanah kering, dan dingin menjadi acuan untuk penentuan harga tahanan jenis tanah. Besar kecilnya konsentrasi air tanah, atau
JARINGAN DISTRIBUSI TENAGA LISTRIK
MATERI PEMBELAJARAN
JARINGAN DISTRIBUSI TENAGA LISTRIK
kelembaban tanah dapat mempengaruhi nilai tahanan jenis tanah, di mana nilai hantar arus tanah akan berbanding terbalik dengan tahanan jenis tanah, artinya jika nilai hantar arus tanah semakin besar, maka tahanan jenis tanah semakin kecil.
Perubahan musim dan kadar air dalam tanah menyebabkan tahanan pembumian menjadi tidaklah konstan. Harga tahanan tanah sangat dipengaruhi oleh kelembaban tanah/besar kecilnya konsentrasi air dalam tanah. Semakin kecil harga tahanan tanahnya, maka dapat dipastikan, bahwa tanah tersebut lembab atau banyak mengandung air. Dikarenakan air itu bersifat konduktif, sehingga perubahan tahanan jenis tanah (‐) sangat dipengaruhi oleh kandungan air tanah tersebut (terutama kandungan air tanah sampai dengan 20%). Untuk jenis tanah merah, penurunan kandungan air tanah dari 20% ke 10% menyebabkan resistansi jenis tanah naik samapai 30 kali lipat. Kenaikan kandungan air tanah di atas 20% sedikit sekali pengaruhnya terhadap resitansi jenis tanah. Tahanan atau resitansi yang besar dimiliki oleh tanah yang kering atau tanah dengan konsentrasi air di bawah 10 %. Dengan demikian elektoda pembumian diusahakan ditanam sampai mencapai air tanah.
Dengan menanam elektroda tanah di bawah permukaan air tanah, akan menjamin harga tahanan pembumian tidak banyak bervariasi terhadap cuaca. Perhatikan gambar grafik pada gambar 8.2 di bawah ini.
Gambar 8.2 Grafik Hubungan antara Kadar Air dengan Tahanan Jenis Sumber: digilib.polban.ac.id
4) Temperatur tanah.
Pada temperatur di bawah titik beku air (00C), air di dalam tanah akan membeku, molekul-molekul air dalam tanah sulit untuk bergerak, sehingga daya hantar listrik tanah rendah sekali. Bila temperatur tanah naik, air akan berubah menjadi fase cair, molekul-molekul dan ion-ion bebas bergerak, sehingga daya hantar listrik tanah menjadi besar atau tahanan jenis tanah turun. Sehingga dapat dikatakan, bahwa besarnya tahanan jenis tanah dipengaruhi juga oleh temperatur tanah di sekitar elektroda pembumian. Hal tersebut diperlihatkan pada temperatur di bawah titik beku air (00C). Di bawah titik beku air, sedikit saja ada penurunan temperatur akan menyebabkan kenaikan harga tahanan jenis tanah dengan cepat.
Gambar 8.3 Hubungan antara Perubahan Suhu dengan Tahanan Jenis Tanah
Sumber: digilib.polban.ac.id 2. Jenis-jenis Elektroda Pembumian
166 TEKNIK JARINGAN TENAGA LISTRIK
MATERI PEMBELAJARAN a. Elektroda batang
Elektroda batang adalah elektroda yang terbentuk dari batang logam berbahan tembaga/Cu (Cupper Rod/Ground Rod) dengan diameter minimumnya adalah 5/8 inch (1,5875 cm) atau batang logam baja profil/
pipa galvanis berdiameter 1,5 inch (3,8 cm) yang dipancangkan secara vertikal atau horizontal dalam tanah dengan kedalaman 3 meter.
Elektroda jenis ini mampu menyalurkan arus petir maupun untuk pembumian proteksi yang lain. Umumnya elektroda yang digunakan berukuran diameter 5/8 inch-3/4 inch (1,5875 cm-1,905 cm) dan panjang 4 feet-8 feet (1,2192 m-2,4384 m).
Gambar 8.4 Instalasi Elektroda Batang Sumber: kelistrikanku.com
Spesifikasi dan pemasangan elektroda batang adalah sebagai berikut.
1) Berbentuk batang atau pipa padat dan terbuat dari baja galvanis atau baja belapis tembaga dengan diameter 15-25 mm dan panjang setiap segmennya sekitar 1-1,25 m atau dapat juga secara utuh sepanjang yang tertanam di dalam tanah.
2) Setiap elektroda yang ditanam dalam tanah secara horizontal memiliki kedalaman 0,5-1 m.
3) Umumnya cara pemasangannya dilakukan dengan cara dipantek dikarenakan elektroda batang biasanya ditanam dalam tanah sawah atau tanah rawa (memiliki tektur tanah yang lunak).
4) Tahanan pembumian dengan nlai 20 Ω dapat diperoleh dengan cara menanam elektroda batang dengan nilai tahanan jenis tanahnya 100 Ωm dan dengan kedalamannya 5 meter. Penggunaan beberapa elektroda batang yang diparalel di permukaan tanah dapat dilakukan untuk
JARINGAN DISTRIBUSI TENAGA LISTRIK
MATERI PEMBELAJARAN
JARINGAN DISTRIBUSI TENAGA LISTRIK
menghasilkan nilai resistansi pembumian yang lebih rendah sesuai dengan yang diinginkan.
Untuk menetukan besarnya tahanan pembumian dengan elektroda batang secara horizontal dipergunakan rumus sebagai berikut.
Di mana:
Rbt = Tahanan pembumian elektroda batang (Ω)
‐ = Resistansi jenis tanah (Ωm)
L = Panjang elektroda batang yang tertanam (m) a = Jari-jari batang elektroda (m)
b. Elektroda pelat
Umumnya berbentuk empat persegi panjang dengan ketebalan yang bervariasi dan terbuat dari tembaga, timah, atau pelat baja yang ditanam di dalam tanah. Penanamannya biasanya dilakukan secara vertikal, dikarenakan penanaman secara vertikal lebih praktis dan ekonomis dibandingkan dengan menanam secara horizontal.
Gambar 8.5 Instalasi Elektroda Pelat Sumber: kelistrikanku.com
Untuk spesifikasi dan pemasangan elektroda pelat antara lain sebagai berikut.
1) Terbuat dari baja galvanis dengan ketebalan 3 mm atau tembaga dengan ketebalan 2 mm dengan luas penampang 0,5-1m2 dan berbentuk lembaran pelat.
2) Ditanam dalam tanah secara vertikal dengan kedalaman berkisar antara 0,5-1 m.
3) Pada penanaman secara vertikal, bagian atasnya dihubungkan dengan
168 TEKNIK JARINGAN TENAGA LISTRIK
MATERI PEMBELAJARAN
pada permukaan tanah dengan penampang elektroda pelat/ 1m2 pada tanah ladang yang memiliki resistansi jenis tanah sekitar 100 Ωm menghasilkan tahanan pembumian yang rendah sebagaimana yang diinginkan.
5) Dikarenakan cara penanamannya yang lebih sulit dibandingkan elektroda batang dan harganya yang relatif mahal, maka elektroda pelat ini hanya dipakai pada jenis tanah yang keras atau memang hanya untuk diparalelkan dengan elektroda batang dalam usaha mencapai harga tahanan pembumian yang rendah
Besarnya nilai tahanan pembumian dengan menggunakan elektroda pelat dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut.
c. Elektroda pita
Bahan pembentuk elektroda pita adalah penghantar yang berbentuk pita atau bulat. Elektroda pita dipasang secara horizontal dengan kedalaman dari permukaan tanah adalah antara 0,5 m sampai dengan 1 m. Pemasangannya dapat diaplikasikan pada struktur tanah dengan resistansi jenis tanah yang rendah pada permukaan dan tanah daerah di sekitarnya tidak mengalami kekeringan. Hal ini tentunya membuat elektroda pita menjadi sangat cocok apabila diaplikasikan pada daerah pegunungan, karena nilai resistansi jenis tanah makin tinggi dan sebanding dengan kedalaman.
Gambar 8.6 Instalasi Elektroda Pita Sumber: kelistrikanku.com
Adapun spesifikasi dan pemasangan elektroda pita adalah sebagai berikut.
1) Luas penampangnya di kisaran 120 hingga 300 mm2 dengan bentuk penghantar berupa kawat yang dipilin dan terbuat dari bahan tembaga atau tembaga yang dilapisi dengan timah.
2) Posisi penanamannya dilakukan secara horizontal dengan kedalaman bagian atas elektroda berkisar antara 0,5-1 m dengan ukuran kawat penghantarnya memiliki luas penampang yang minimalnya sama dengan
JARINGAN DISTRIBUSI TENAGA LISTRIK
MATERI PEMBELAJARAN
JARINGAN DISTRIBUSI TENAGA LISTRIK
luas penampang elektroda. Bentangan horizontal elektroda pita berupa lingkaran berdiagonal atau bentuk persilangan/silang satu titik dan dihubungkan keluar.
3) Ditanam secara horizontal pada seluruh bentang panjang elektroda pada tanah yang mulai dari berjenis lembek hingga pada tanah yang keras seperti, tanah pasir, kerikil, dan berbatu.
Berikut merupakan rumus untuk mendapatkan nilai besaran tahanan/
resistansi pembumian pada elektroda pita.
Dengan keterangan sebagai berikut.
Rpt = nilai resistansi pembumian elektroda pita (Ω) = nilai resistansi jenis tanah (Ωm)
L = jumlah panjang elektroda pita (m)
d = lebar pita/ diameter elektroda pita kalau bulat (m) B. Pembumian pada Jaringan Distrbusi Tenaga Listrik
Sistem pembumian ini sangatlah penting untuk diperhatikan pada suatu sistem jaringan distribusi tenaga listrik, karena sistem pembumian atau pentanahan ini memiliki tujuan khusus pada suatu sistem tenaga listrik. Tujuan tersebut antara lain sebagai berikut.
1. Pencegahaan terhadap munculnya gangguan busur tanah yang diakibatkan dari arus gangguan yang lebih dari 5A.
2. Melindungi dari bahaya yang ditimbulkan oleh arus listrik bagi pengguna.
3. Sebagai sistem proteksi peralatan kelistrikan.
4. Dapat dijadikan sebagai standar keandalan penyaluran pada sistem tenaga listrik, baik dari segi kualitas maupun kontinuitas penyaluran tenaga listrik dengan maksud pengontrolan noise (termasuk transien) dari segala sumber.
5. Pembatas kenaikan tegangan fasa secara sehat (tidak dikarenakan gangguan).
Adapun kalau kita merujuk pada sistem pentanahan yang dilakukan, maka sistem pentanahan ini dikalsifikasikan sebagai berikut pada tegangan rendah.
1. TT, yaitu netral sumber daya terhubung ke bumi dan frame peralatan beban terhubung ke bumi.
2. IT, yaitu netral sumber daya tidak terhubung ke bumi dan frame peralatan beban terhubung ke bumi.
3. TN, yaitu netral sumber daya terhubung ke bumi dan frame peralatan beban terhubung ke sumber daya yang sudah terhubung ke bumi.
4. TN-S,yaitu ketika fungsi proteksi disediakan oleh konduktor yang terpisah dengan netral sumber daya.
170 TEKNIK JARINGAN TENAGA LISTRIK
MATERI PEMBELAJARAN
Gambar 8.7 Klasifikasi Sistem Pentanahan Sumber: Devita Rahmadani, 2008
Permasalahan pembumian dalam hubungannya dengan mutu/kualitas tenaga listrik (Power Quality) sangat berpengaruh dan menjadi permasalahan yang tidak dapat diabaikan begitu saja. Kegagalan pembumian ini dapat berdampak pada kualitas tenaga listrik yang ada, anatara lain sebagai berikut.
1. Level tegangan Swell dan sag.
2. Perambatan transien akibat switching dan lightning.
3. Harmonisa.
4. Ketidakseimbangan beban fasa.
5. Penurunan tegangan.
Voltage sag atau voltage Dip adalah penurunan tegangan RMS (nilai tegangan efektif) dalam waktu singkat yang disebabkan oleh short circuit, overload atau starting beban-beban besar (motor starting, furnace, dll). Terjadinya voltage sag adalah ketika tegangan RMS mengalami penurunan 10% hingga 90% dari tegangan nominal pada satu setengah cycle sampai satu menit. Beberapa referensi lain menyebutkan bahwa durasi sag tegangan adalah 0.5 cycle sampai beberapa detik. Sedangkan voltage Swell adalah kebalikan dari voltage sag. Voltage Swell adalah kondisi di mana terjadi kenaikan sesaat tegangan rms, ini terjadi misalnya, beban besar pada suatu sistem dioffkan.
Gambar 8.8 Gelombang Tegangan Saat Terjadi Tegangan Swell dan Sag Sumber: www.electricalidea.com
JARINGAN DISTRIBUSI TENAGA LISTRIK
MATERI PEMBELAJARAN
JARINGAN DISTRIBUSI TENAGA LISTRIK
Pada gambar di bawah ini (gambar 8.9a) ditunjukkan 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 sistem pentanahan.
Gambar 8.9. (a) Monogram Tegangan Swell Selama Kegagalan Fasa(b) Simulasi Tegangan Transien Sumber: Hutauruk, T. S. 1999
Sistem distribusi itu sendiri tidak simetri dan terdiri dari banyak beban single fasa. Kedua faktor tersebut menyebabkan ketidakseimbangan kondisi yang dapat ditekankan dengan interaksi dengan beban dinamis seperti, motor induksi.
Ketidakseimbangan ini dapat dikontrol di antaranya dengan menyesuaikan pentanahan sirkuit, penggunaan transformator, memperkecil impedansi tanah.