BAB II
TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka.
Penelitian tentang pentanahan gedung telah beberapa kali dilakukan sebelumnya. Wahyono(2013) berpendapat bahwa penambahan jumlah elektroda batang akan memperkecil nilai hambatan pembumian dan nilai hambatan pembumian pada tanah liat lebih besar dibanding nilai hambatan pembumian pada tanah rawa.
Martin, Yul (2010) berpendapat bahwa impedansi pembumian batang tunggal yang diukur dengan sumber implus memiliki nilai yang lebih besar dibandingkan dengan resistan yang diukur dengan sumber DC.Penambahan kedalaman elektroda pembumian menyebabkan nilai impedansi pembumian semakin kecil. Kedalaman elektroda mulai dari 2 meter samnpai 6 meter menyebabkan penurunan impedansi pembumian rata-rata sebesar 5,25 ohm untuk setiap penambahan 1 meter kedalaman elektroda pembumian.
Bandri, Sepannur (2012) berpendapat bahwa sistem pentanahan yang digunakan dalam perencanaan instalasi penangkal petir adalah penanaman elektroda pentanahan secara horizontal didalam tanah yang dipasang secara paralel kedalaman 2,4 meter sebanyak 8 titik, setiap titiknya menggunakan dua batang elektroda pentanahan, sehingga elektroda pentanahan yang digunakan sebanyak 16 batang.
Hamid, Muhammad Kamal (2016) berpendapat bahwa setelah melakukan pengukuran nilai pengukuran yang diperoleh sebesar 2 Ohm dengan menggunakan 4 elektroda batang, dengan nilai hambatan sebesar 2 Ohm sudah dapat digunakan sesuai dengan standar PUIL 2000 dengan nilai hambatan maksimum 5 Ohm.
Umar (2012) berpendapat bahwa dalam sistem telekomunikasi terjadinya sedikit gangguan saja yang mengakibatkan gagalnya sistem komunikasi dapat mengakibatkan kerugian yang sangat besar dari segi materiil, terutama bila terjadi pada suatu sistem yang besar yang mengakibatkan terjadinya gangguan yang
mungkin terjadi dalam satu kota besar. Saat terjadi gangguan, arus gangguan akan dialirkan ke tanah akan menimbulkan perbedaan tegangan pada permukaan tanah yang disebabkan karena adanya hambatan tanah.
Atmam, (2015) berpendapat bahwa pelepasan muatan listrik dapat terjadi di dalam awan, antara awan dengan awan dan antara awan dengan bumi tergantung dari kemampuan udara dalam menahan beda potensial yang terjadi. Petir yang kita kenal sekarang ini terjadi akibat awan dengan muatan tertentu menginduksi muatan yang ada di bumi. Bila muatan di dalam awan bertambah besar, maka muatan induksi pun makin besar pula sehingga beda potensial antara awan dengan bumi juga makin besar.
Yuniarti, Nurhening (2017) berpendapat bahwa pembangunan gedung bertingkat menjadi solusi karena semakin sempitnya lahan tanah di indonesia. Namun disisi lain, dengan semakin banyak berdirinya bangunan bertingkat, beberapa permasalahan mengenai keamanan bangunan menjadi penting untuk diperhatikan, karena bangunan bertingkat lebih rawan mengalami gangguan, baik gangguan secara mekanik maupun gangguan alam. Salah satu gangguan alam yang sering terjadi adalah sambaran petir dan itu memiliki resiko lebih besar mengalami kerusakan akibat terkena sambaran petir.
Solichan, Ahmad (2010) berpendapat bahwa sistem pengetanahan yang baik diperlukan baik untuk proteksi terhadap petir maupun untuk pengetanahan titik netral dari suatu sistem tenaga listrik.Sistem pengetanahan tersebut sering mendapat injeksi arus, impuls dengan frekuensi tinggi (petir) atau bentuk arusnya berubah terhadap waktu.Perilaku hambatan dalam suatu sistem pentanahan tergantung pada nilai frekuensi dari arus yang dialirkan ke sistem pentanahan yang sudah terpasang.
2.2 Landasan teori.
Pembahasan yang berkaitan dengan evaluasi pentanahan instalasi listrik gedung Universitas Tidar terhadap surja petir adalah sebagai berikut:
2.2.1 Petir.
Petir adalah suatu fenomena alam, yang pembentukannya berasal dari terpisahnya muatan di dalam awan kumolonimbus. Awan kumolonimbus adalah sebuah awan vertikal menjulang yang sangat tinggi, padat, dan terlibat dalam badai petir dan cuaca dingin lainnya. Umumnya muatan negatif terkumpul dibagian bawah dan ini menyebabkan terinduksinya muatan positif di atas permukaan tanah, sehingga membentuk 2 medan listrik antara awan dan tanah. Terdapat 2 teori yang mendasari proses terjadinya petir:
1. proses ionisasi;
Sambaranpetir merupakan peristiwa alam yaitu proses pelepasan muatan listrik (Electrical Discharge) yang terjadi di atmosfer, hal ini disebabkan berkumpulnya ion bebas bermuatan negatif dan positif di awan, ion listrik dihasilkan oleh gesekan antar awan dan juga kejadian ionisasi ini disebabkan oleh perubahan bentuk air mulai dari cair menjadi gas atau sebaliknya, bahkan padat (es) menjadi cair. Ion bebas menempati permukaan awan dan bergerak mengikuti angin yang berhembus, bila awan-awan terkumpul di suatu tempat maka awan bermuatan ion tersebut akan memiliki beda potensial yang cukup untuk menyambar permukaan bumi maka inilah yang disebut petir.
2. gesekan antar awan;
Pada awalnya awan bergerak mengikuti arah angin, selama proses bergeraknya awan ini maka saling bergesekan satu dengan yang lainya, dari proses ini terlahir elektron-elektron bebas yang memenuhi permukaan awan. Proses ini bisa di simulasikan secara sederhana pada sebuah penggaris plastik yang digosokkan pada rambut maka penggaris ini akan mampu menarik potongan kertas. Pada suatu saat awan ini akan terkumpul disebuah kawasan, saat inilah petir dimungkinkan terjadi karena elektron-elektron bebas ini saling menguatkan satu dengan lainnya. Sehingga memiliki cukup beda potensial untuk menyambar permukaan bumi.
Ancaman sambaran petir pada peralatan perlu diwaspadai dan upaya perlindungan terhadap instalasi, bangunan yang berisikan peralatan elektronik seperti pada peralatan elektronik yang ada di industri, bank, militer,perlu ditingkatkan keamanan pada peralatan elektronik. Sambaran petir pada jarak kurang lebih 1,5 km sudah dapat merusak sistem elektronika dan peralatan (Ariesta, Riza, 2010).
3. sambaran petir;
Sambaran petir ada dua yaitu sambaran petir langsung dan tidak langsung.
a. sambaran petir langsung;
Sambaran petir langsung yaitu ketika sambaran petir tersebut langsung menyambar bagian jaringan instalasi listrik ataupun alat-alat listrik yang ada di bumi, seperti kabel-kabel jaringan, transformer, tiang listrik, dan lainnya.Dampak dari sambaran petir secara langsung ini memiliki bahaya atau resiko yang sangat besar dan bahkan dapat menyebabkan ledakan, kebakaran dan kerusakan yang fatal terhadap jaringan listrik yang ada di bumi.Karena, sambaran petir langsung menyambar pada bagian jaringan, kabel – kabel, alat alat listrik akan mengalirkan tegangan listrik yang jauh lebih besar melebihi kemampuan hantar perlengkapan listrik yang ada di bumi.Saat petir menyambar kabel jaringan listrik, kabel tersebut akan dialiri tegangan listrik yang sangat besar bahkan jauh melebihi kemampuan hantar kabel tersebut.Jika kabel tersebut tak mampu menerima sambaran petir langsung tersebut, dapat mengakibatkan kabel terbakar dan terputus atau melebur.Namun saat kabel listrik yang terkena sambaran listrik tersebut belum sempat melebur atau terputus, listrik bertegangan yang sangat tinggi dari sambaran petir tersebut akan dialirkan dan diterima oleh peralatan listrik lainnya.Hal ini juga akan menyebabkan kerusakan fatal terhadap peralatan-peralatan listrik tersebut.
b. sambaran petir tidak langsung;
Sambaran petir tidak langsung yaitu, saat sambaran petir yang mengarah ke bumi, namun tidak secara langsung mengenai bagian dari jaringan atau instalasi listrik yang ada di bumi.Namun induksi dari energi listrik yang dimiliki petir tersebut
sempat menembus atau mengalir ke jaringan kabel listrik atau peralatan listrik yang ada diarea sambaran petir. Hal ini juga dapat menyebabkan kerusakan terhadap instalasi listrik dan alat-alat listrik yang menerima induksi petir tersebut, meski kerusakan yang diakibatkan sambaran listrik tidak langsung ini tidak separah sambaran listrik langsung.
2.2.2 Pentanahan.
Sistem pentanahan adalah sistem hubungan penghantar yang menghubungkan sistem badan peralatan dan instalasi dengan bumi atau tanah, sehingga dapat mengamankan manusia dari sengatan listrik dan mengamankan komponen-komponen instalasi dari bahaya tegangan lebih (Solichan, Achmad 2010).
Agar sistem pentanahan dapat bekerja secara efektif, sistem pentanahan harus memenuhi persyaratan berikut :
1. membuat jalur resistan ke tanah untuk pengamanan personil dan peralatan dengan menggunakan rangkaian yang efektif;
2. dapat melawan dan menyebarkan gangguan berulang dan arus akibat surja hubung;
3. menggunakan bahan-bahan tahan korosi terhadap berbagai kondisi kimiawi tanah;
4. menggunakan sistem mekanik yang kuat namun mudah dalam pelayanan.
2.2.3 Tujuan pentanahan.
Adapun tujuan pentanahan secara umum adalah :
1. menjamin keselamatan orang dari sengatan listrik akibat tegangan berlebihdalam keadaan normal atau tidak dari tegangan sentuh dan tegangan langkah;
2. menjamin kerja dan mencegah kerusakan perlatan listrik atau elektronik;
3. menyalurkan sambaran petir ketanah;
4. menyetabilkan teganggan dan memperkecil kemungkinan terjadinya flashover.
2.2.4 Syarat-syarat pentanahan yang efektif.
Hambatan pentanahan harus memenuhi syarat yang diijinkan untuk pemakaian elektroda yang ditanam dalam tanah harus :
a. tahan korosi;
b. cukup kuat.
Elektroda harus mempunyai kontak yang baik dengan tanah disekelilingnya.
Hambatan pentanahan harus baik untuk berbagai musim dalam setahun.
2.2.5 Faktor-faktor yang menentukan hambatan pentanahan.
Hambatan pentanahan suatu elektroda tergantung pada tiga faktor :
a. hambatan elektroda itu sendiri dan penghantar yang menghubungkan ke peralatan yang ditanahkan;
b. tahan kontak antara elektroda dengan tanah;
c. hambatan dari massa tanah sekeliling elektroda.
Namun demikian pada prakteknya hambatan elektroda dapat diabaikan, akan tetapi hambatan kawat penghantar yang menghubungkan keperalatan akan mempunyai impedansi yang tinggi terhadap impuls frekuensi tinggi, misal pada saat terjadi lightningdischarge. Untuk menghindarinya, sambungan ini diusahakan dibuat sependek mungkin.Dari ketiga faktor tersebut yang dominan pengaruhnya adalah hambatan sekeliling elektroda atau dengan kata lain hambatan jenis tanah (ρ).
2.2.6 Batasan hambatanpentanahan untuk bangunan.
Seperti yang diketahui bahwa prinsip dan teori dari setiap pentanahan adalah sama yaitu sistem yang dibuat harus diusahakan mempunyai hambatan pentanah yang sekecil mungkin. Tujuannya adalah agar bila terjadi arus gangguan, dapat mengalir ke dalam tanah secara cepat dan dalam jumlah yang besar. Jika nilai resistansi pembumian terlalu besar akan berdampak negatif pada komponen dari instalasitersebut. Begitu juga bila pembumian (grounding)tidak sempurna akan menimbulkan arus sisa atau arus ikutan yang merusak komponen - komponen penyusun, terutama komponen elektronik yang sangat peka terhadap arus. Jadi
instalasi penangkal petir harus berfungsi sempurna dan harus mempunyai nilai hambatan kecil bahkan jauh di bawah satu ohm atau mendekati nilai nol. Secara umum untuk menghasilkan nilai yang lebih kecil diperlukan biaya yang lebih besar dan sebaliknya, sehingga sebelum dibuat instalasi sistem pentanahan perlu dipertimbangkan fungsi dan efek ekonomisnya serta disesuaikan dengan keperluannya. Karena arus dan tegangan petir sangat besar maka tidak mungkin ditentukan batasan tegangan sentuh yang dapat mengimbas peralatan maupun personil di dalamnya. Oleh sebab itu ditentukan standar kelayakan pentanahan untuk bangunan yaitu harus bisa memiliki hambatansebaran maksimal 3 Ω dan bila di bawah 3 Ω lebih baik. Namun untuk memberikan tingkat perlindungan yang lebih baik, besarnya hambatan pentanahan juga ditentukan berdasarkan pada fungsi dari gedung tersebut (Suyamto, 2015).
2.2.7 Karakteristik tanah.
Dalam pengertian teknik secara umum, tanah didefinisikan sebagai material yang terdiri dari butiran mineral-mineral padat yang tidak terikat secara kimia disertai dengan zat cair dan gas yang mengisi ruang-ruang kosong diantara partikel-partikel padat tersebut. Material endapan yang disebut tanah dapat terdiri tiga bagian, yaitu : a. butiran tanahnya (soil), ukuran markroskopis atau mikroskopis;
b. ruang pori (void), merupakan ruang terbuka antara butiran tanah;
c. air(water), yang mengisi pori-pori (air pori) dalam keadaan jenuh atau sebagian.
Tubuh tanah (solum) tidak lain adalah batuan yang melapuk dan mengalami proses pembentukan lanjutan. Tubuh tanah terbentuk dari campuran bahan organik dan mineral. Tanah nonorganik atau tanah mineral terbentuk dari batuan sehingga mengandung mineral. Sebaliknya, tanah organik terbentuk dari pemadatan terhadap bahan organik yang terdegradasi. Warna tanah merupakan ciri utama yang paling mudah di ingat orang. Warna tanah sangat bervariasi mulai dari hitam kelam, coklat, merah bata, jingga kuning hingga putih. Selain itu dapat memiliki lapisan-lapisan dengan perbedaan warna yang kontras sebagai akibat proses kimia (pengasaman) atau
pencucian. Tanah berwarna hitam atau gelap seringkali mengandung bahan organik yang tinggi, baik karena pelapukan vegetasi maupun proses pengendapan di rawa- rawa. Warna gelap juga dapat disebabkan oleh adanya belerang dan nitrogen. Warna tanah kemerahan atau kekuningan biasanya disebabkan kandungan besi teroksidasi yang tinggi, pembentukanwarna yang berbeda terjadi karena pengaruh proses kimia.
Pada saat oksidatif menghasilkan warna yang sama atau perubahan warna yang bertahap, sedangkan pada saat reduktif lebih cenderungkepada pola warna yang bertotol-totol (Jamaludin, 2017). Nilai hamabatan jenis tanah dari berbagai jenis tanah bisa dilihat Tabel 2.1.
Tabel 2. 1Nilai hambatan jenis tanah dari berbagai jenis tanah
No Jenis tanah Hambatan jenis tanah (ohm meter)
1 Tanah yang mengandung air garam 5-6
2 Rawa 30
3 Tanah liat 100
4 Pasir basah 200
5 Batu- batu kerikil basah 500
6 Pasir dan batu kerikil kering 1000
7 Batu 5000
Sumber: PUIL 2000
2.2.8 Metode proteksi petir.
Dalam perencanaan sistem proteksi petir biasanya didasari dengan jangkauan perlindungan yang ingin dicapai. Jangkauan perlindungan tersebut dapat dianalisa dengan menggunakan beberapa metode, yaitu metode jala/sangkar faraday (faraday cage), metode sudut perlindungan, metode franklin, dan metode bola bergulir (rolling sphere) yang dijelaskan dibawah ini dan ditunjukan pada Gambar 2.1.
1. metode jala/sangkar (faraday cage) merupakan metode pengaturan posisi penangkal petir yang berupa penghantar-penghantar yang disusun seperti
jala/sangkar dengan analisa perlindungannya berdasarkan lebar jala/sangkar yang mencakup permukaan struktur;
2. metode sudut perlindungan merupakan metode pengaturan posisi penangkal petir berdasarkan ketinggian terminal udara itu sendiri. Pada metode ini, ketinggian penangkal petir vertikal sangat mempengaruhi besar sudut perlindungan dan zona proteksinya;
3. metode Franklin merupakan metode pengaturan posisi penangkal petir berdasarkan konduktor yang mampu melindungi wilayah dalam bentuk kerucut/lancip dengan ketinggian sebanding dengan radius bagian atasnya;
4. metode bola bergulir (rolling sphere) merupakan metode dengan meletakan suatu bola dengan radius tertentu yang bergulir diatas tanah, disekeliling strutur objek, diatas struktur objek, kesegala arah hingga bertemu dengan permukaan tanah atau struktur yang berhubungan dengan permukaan tanah.
Sumber : Zoro Reynaldo
Gambar 2. 1Metode penentuan posisi penangkal petir 2.2.9 Persyaratan Umum Instalasi Listrik 2000 (PUIL 2000)
Nilai standar mengacu pada Persyaratan Umum Instalasi Listrik atau PUIL 2000 (peraturan yang sesuai dan berlaku hingga saat ini) yaitu kurang dari atau sama dengan 5 ohm. Dijelaskan bahwa nilai sebesar 5 ohm merupakan nilai maksimal atau batas tertinggi dari hasil resistans pembumian (grounding) yang masih
ditoleransi.Nilai yang berada pada range 0-5 ohm adalah nilai aman dari suatu instalasi pembumian (grounding). Namun begitu, untuk daerah yang resistans jenis tanahnya sangat tinggi, resistans pembumian total seluruh sistem boleh mencapai 10 ohm (PUIL 2000 : 68). Nilai tersebut berlaku untuk seluruh sistem dan instalasi yang terdapat pembumian (grounding) di dalamnya.
2.2.10 Hambatan jenis tanah.
Hambatan jenis tanah suatu daerah diberbagai tempat tidaklah sama, tergantung dari beberapa faktor yaitu: jenis tanah, lapisan tanah, kelembaban tanah dan temperatur. Adapun kesulitan yang biasanya dijumpai pada saat pengukuran jenis tanah adalah bahwa dalam kenyataannya komposisi tanah tidak sama, sehingga pada suatu lapisan tanah mungkin terdapat dua atau lebih jenis tanah dengan hambatan jenis yang berbeda.
2.2.11 Bahaya-bahaya yang timbul pada saat gangguan tanah.
Bahaya-bahaya yang mungkin dapat timbul oleh tegangan maupun arus listrik yang mengalair terhadap manusia mulai dari ringan sampai yang paling berat yaitu terkejut, pingsan atau mati, yang meliputi :
a. tegangan dan kondisi orang terhadap tegangan tersebut;
b. besarnya arus yang melewati tubuh manusia;
c. jenis arus, searah atau bolak-balik.
2.2.12 Jenis Sistem Pentanahan.
Sistem pentanahan yang mmenggunakan elektroda pentanahan yang ditanam langsung ke dalam tanah terdiri dari berbagai macam cara, antara lain : pentanahan rod, pentanahan grid, dan pentanahan kombinasi grid-rod (Hutauruk, 1991) yang dapat dijelaskan dibawah ini :
1. Single Grounding Rod
Sistem pentanahan yang hanya terdiri atas satu buah titik penancapan batang (rod) pelepas arus atau ground rod di dalam tanah dengan kedalaman tertentu (misal 6 meter). Untuk daerah yang memiliki karakteristik tanah yang konduktif, biasanya
mudah untuk didapatkan hambatan pentanahan sebaran tanah di bawah 5 ohm dengan satu buah ground rod seperti yang ditunjukan Gambar 2.2.
Gambar 2. 2Single grounding rod 2. Paralel Grounding Rod / Grid
Jika sistem single grounding rod masih mendapatkan hasil kurang baik (nilai hambatan>5 ohm), maka perlu ditambahkan ground rod ke dalam tanah yang jarak antar batang minimal 2 meter dan dihubungkan dengan kabel BC/BCC. Penambahan ground rod dapat juga ditanam mendatar dengan kedalaman tertentu, bisa mengelilingi bangunan membentuk cincin atau cakar ayam seperti pada Gambar 2.3.
Kedua teknik ini bisa diterapkan secara bersamaan dengan acuan hambatan sebaran/resistansi kurang dari 5 ohm setelah pengukuran dengan Earth Ground Tester.
Gambar 2. 3Paralel grounding rod
3. Multi Grounding System / Grid-Rod
Bila didapati kondisi tanah yang memiliki ciri-ciri sebagai berikut : a. kering atau air tanah dalam;
b. kandungan logam sedikit;
c. basa (berkapur);
d. pasir dan berpori (porous).
Maka penggunaan 2 cara sebelumnya akan sulit dan besar kemungkinan akan gagal untuk mendapatkan resistansi kecil. Maka dari itu teknis yang digunakan adalah dengan caragrid-rod atau mengkombinasikan metode grid dan rod yang bertujuan agar diperoleh nilai hambatan pentanahan yang paling kecil. Gambar 2.4 menjelaskan tentang ground rod penangkal petir ditancapkan pada daerah titik logam dan di kisaran kabel penghubung antar ground rod nya. Tanah humus yaitu tanah dari kotoran ternak dan tanah liat sawah cukup memenuhi standar hantar tanah yang baik.
Gambar 2. 4Multi grounding system 2.2.13 Elektroda pentanahan.
Elektroda pentanahan adalah suatu penghantar yang membuat kontak langsung dengan tanah dengan menanamkannya dalam tanah, sehingga diperoleh jalan mengalirnya arus petir ke tanah. Elektroda –elektroda ini dapat digunakan
secara tunggal maupun multiple dan juga secara gabungan dari ketiga jenis. Pada dasarnya ada tiga jenis elektrodayang digunakan pada sistem pentanahan yaitu:
a. elektroda batang;
Elektroda batang terbuat dari batang atau pipa logam yang ditanam vertikal di dalam tanah. Biasanya dibuat dari bahan tembaga, stainless steel atau galvanised steel. Perlu diperhatikan pula dalam pemilihan bahan agar terhindar dari galvanic couple yang dapat menyebabkan korosi. Pemasangan elektroda dilakukan dengan cara dimasukkan tegak lurus ke dalam tanah dan panjangnya disesuaikan denganhambatanpentanahan yang diperlukan. Jenis elektroda batang seperti terlihat pada Gambar 2.5 :
Sumber : (Andi Syofian, 2013)
Gambar 2. 5Elektroda batang b. elektroda pelat.
Bentuk elektroda pelat biasanya empat persegi panjang yang terbuat dari tembaga, timah atau pelat baja yang ditanam di dalam tanah. Cara penanaman biasanya secara vertikal, sebab dengan menanam secara horizontal hasilnya tidak berbeda jauh dengan vertikal. Penanaman secara vertical adalah lebih praktis dan ekonomis. Jenis elektroda pelat seperti terlihat pada Gambar 2.6.
Sumber : (Andi Syofian, 2013)
Gambar 2. 6Elektroda plat c. elektroda pita.
Elektroda jenis ini terbuat dari bahan metal berbentuk pita atau juga kawat BBC yang di tanam di dalam tanah secara horisontal sedalam ±2 feet. Elektroda pita ini bisa dipasang p ada struktur tanah yang mempunyai hambatan jenis rendah pada permukaan dan pada daerah yang tidak mengalami kekeringan. Hal ini cocok untuk daerah-daerah pegunungan dimana harga hambatanjenis tanah makin tinggi dengan kedalaman. Jenis elektroda pita seperti terlihat pada Gambar 2.7:
Sumber : (Andi Syofian, 2013)
Gambar 2. 7Elektroda pita
Dalam sistem pentanahan sangat diperlukan elektroda pentanahan, yang mana macam dan bentuk elektroda yang digunakan dipilih sedemikian rupa, sehingga hambatan pentanahan yang dihasilkan lebih kecil daripada yang diperbolehkan (PUIL 2000). Untuk mendapatkan hambatan pentanahan yang serendah mungkin, diperlukan beberapa persyaratan elektroda yang harus dipenuhi :
1. hambatan elektroda pentanahan harus lebih kecil daripada harga yang direkomendasikan;
2. elektroda pentanahan harus mampu dialiri arus hubung singkat yang besar;
3. elektroda pentanahan harus mempunyai sifat kimia yang baik sehiingga tidak mudah mengalami korosi.
Mengacu pada NEC code (1987, 250-83-3) dan IEEE C2 :National Electrical Safety Code (2007-094-23) mengenai standar elektroda pentanahan yaitu :
1. panjang batang elektroda pentanahan tidak kurang dari atau minimum 2,44 meter (8 kaki). Bahan jenis elektroda dari besi, timah dilapisi baja, atau baja utuh dengan diameter penampang tidak kurang dari atau minimal 15,87 mm (0,625 inch). Untuk elektroda berbahan tembaga, baja digalvanisasi, atau baja berlapis tembaga diameter penampang tidak kurang dari atau minimum 12,7 mm (0,5 inch);
2. pemasangan elektroda yang dirangkai secara paralel bisa digunakan untuk mengurangi nilai hambatan pentanahan. Jarak antara batang elektroda pentanahan satu dengan yang lainnya tidak kurang dari atau minimal 1,8 meter (6 kaki);
3. kedalaman batang elektroda tidak kurang dari atau minimal 2,44 meter (8 kaki).
Bahan konduktor merupakan bahan yang digunakan sebagai elektroda pentanahan, berdasarkan ketentuan bahan tersebut adalah besi, alumunium, dan tembaga. Dari ketiga jenis bahan tersebut ditinjau dari sifat mekanis, elektris, dan kimiawi, maka tembaga mempunyai keunggulan yang lebih tinggi dibandingkan dengan bahan yang lain.
Pada umumnya elektroda pentanahan ditanam sejajar satu sama lainnya, dalam beberapa meter ke dalam tanah. Untuk memperkecil harga hambatan pentanahannya diperluas daerah pentanahan, karena cara ini lebih mudah dibandingkan dengan cara memperdalam konduktor.
Ada empat variabel yang mempengaruhi hambatan sistem pentanahan yaitu sebagai berikut :
1. panjang/kedalaman elektroda;
2. diameter elektroda;
3. jumlah elektroda;
4. desain elektroda pentanahan.
Untuk memilih macam/jenis elektroda pentanahan yang akan dipakai harus diperhatikan terlebih dahulu kondisi setempat, sifat tanah, dan nilai hambatan pentanahan yang di perbolehkan. Permukaan elektroda pentanahan harus terhubung baik dengan tanah disekitarnya. Batu dan kerikil yang langsung mengenai elektroda pentanahan akan memperbesar nilai hambatan pentanahan.
Jika kondisi tanah efektif, elektroda batang ditanam tegak lurus ke dalam tanah dan panjangnya disesuaikan dengan hambatan pentanahan yang dikehendaki.
Jika beberapa elektroda dibutuhkan untuk mendapatkan nilai hambatan pentanahan yang rendah, jarak antara elektroda tersebut minimum harus dua kali kali panjangnya.
Untuk melakukan perhitungan hambatan pentanahan elektroda dapat menggunakan persamaan dalam IEEE Std 142-2007 yang dikembangkan oleh Profesor H. B.
Dwight, yaitu :
1. Pentanahan satu batang elektroda
Gambar pentanahan satu batang elektroda dapat dilihat pada Gambar 2.8 dibawah ini .
Gambar 2. 8Pentanahan dengan satu batang elektroda
Hambatan kawat penghantar dapat dihitung dengan rumus dibawah
R= 𝜌𝑎𝑙……….(2.1)
Hambatan pentanahan dengan satu batang elektroda dapat dihitung dengan persamaan 2.1berikut :
𝑅 = 2𝜋𝐿𝜌 𝐼𝑛 4𝐿𝑎 − 𝑄 ... (2.2) Keterangan :
ρ = hambatan jenis tanah (ohm-cm);
l = panjang elektroda pentanahan (m);
a = diameter elektroda (m);
R = hambatan pentanahan untuk elektroda ke tanah (ohm);
Q = konstanta (1).
2. Pentanahan dua batang elektroda
Jika dua batang elektroda batang ditanam sejajar didalam tanah dengan jarak antar elektroda S, maka hambatan pentanahan denga dua batang elektroda dapat dihitung melalui persamaan 2.2 dibawah ini.
𝑅 = 4𝜋𝐿𝜌 𝐼𝑛4𝐿𝑎 − 1 + 𝐼𝑛(2𝐿 + 𝑆2 +4𝐿2) +2𝐿𝑆 − 𝑆22𝐿+4𝐿2 ... (2.3) Keterangan :
S = jarak ke dua elektroda
Dibawah ini adalah Gambar 2.9 yang menjelaskan tentang konstruksi dari bagian dalam 2 batang elektroda yang ditanam didalam tanah.
Gambar 2. 9Dua batang elektroda ditanam sejajar dalam tanah 3. Pentanahan dengan beberapa batang elektroda
Jika susunan batang-batang elektroda yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah dalam jumlah yang lebih banyak, maka hambatan pentanahn akan semakin kecil dan distribusi tegangan pada permukaan tanah akan lebih merata. Gambar 2.8 dibawah ini menjelaskan tentang bentuk fisik elektroda batang yang ditanam tegak lurus dengan 3 buah batang elektroda.
Nilai hambatan pentanahan untuk beberapa batang elektroda yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah dengan elektroda menembus lapisan tanah aling bawah/kedua, dihitung dengan menggunakan persamaan 2.3 berikut.
𝑅 =
𝜌
2𝜋𝐿𝑥𝐼𝑛 4𝐿𝑎 −𝑄
n 𝑥𝐹 ... (2.4) Keterangan :
n = jumlah elektroda batang;
F = faktor perkalian (tabel 2.2).
Gambar 2.10 dibawah ini menggambarkan bentuk dari penanaman beberapa elektroda batang.
Gambar 2. 10Beberapa elektroda batang ditanam tegak lurus dalam tanah
Tabel 2.2 dibawah ini menunjukan faktor perkalian (F) jumlah batang elektroda pentanahan menurut IEEE Std 142-2007, (IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems).
Tabel 2. 2Faktor perkalian elektroda batang
Jumlah Elektroda Batang F
2 1,16
3 1,29
4 1,36
8 1,68
12 1,80
16 1,92
20 2,00
24 2,16
Sumber : (IEEE Std 142-2007)
Untuk mendesain sistem pentanahan pemasangan beberapa elektroda pentanahan dengan cara paralel/grid, penentuan banyaknya jumlah elektroda pentanahan dapat dicari menggunakan persamaan 2.4 berikut ini :
𝑅𝑝𝑎𝑟𝑎𝑟𝑒𝑙 =𝑅𝑡𝑒𝑟𝑢𝑘𝑢𝑟𝑛 𝑥𝐹 ... (2.5) Keterangan :
Rterukur = nilai hambatan pentanahan terukur (ohm);
n = jumlah elektoda pentanahan;
F = faktor perkalian.
Metode-metode yang digunakan dalam mereduksi nilai R (resistansi) untuk elektroda batang pentanahan, telah direkomendasikan menurutIEEE Std. 142-1982, yaitu :
1. penambahan jumlah batang pentanahan;
2. memperpanjang ukuran/diameter batang pentanahan;
3. membuat perlakuan terhadap tanah (soil treatment) terbagi atas :
metode bak ukur (container method)
metode parit (trench method)
4. menggunakan batang pentanahan khusus;
5. metode kombinasi.
Tabel 2.3 dibawah ini menunjukan ukuran minimum elektroda pentanahan sesuai dengan PUIL 2000 :
Tabel 2. 3Ukuran minimum elektroda pentanahan
No Bahan jenis elektroda
1 2 3
Baja digalvanisasi dengan proses
pemanasan
Baja berlapis
tembaga Tembaga
1 Elektroda pita
- Pita baja 100 mm2 setebal minimum 3
mm
50 mm2
Pita tembaga 50 mm2 tebal minimum 2 mm - Penghantar pilin
95 mm2 (bukan kawat halus)
Penghantar pilin 35 mm2 (bukan
kawat halus)
2 Elektroda batang
- Pipa baja 25 mm - Baja profit (mm) L 65 x 65 x 7, U 6,5, T 6 x 50 x 3 - Batang profil lain
yang setaraf
Baja berdiameter 15 mm dilapisi tembaga setebal
250 μm
3 Elektroda pelat
Pelat besi tebal 3 mm luas 0,5 m2
sampai 1 m2
Pelat tembaga tebal 2 mm luas 0,5 m2 sampai 1m Sumber : (PUIL 2000)
Sedangkan Tabel 2.4 dibawah ini menjelaskan tentang hambatan pentanahan pada hambatan jenis tanah ρ1= 100 ohm-meter sesuai dengan PUIL 2000.
Tabel 2. 4Hambatan pentanahan pada resistans p1 = 100 ohm-meter
Jenis elektroda
Pita penghantar pilin Batang atau pipa
Plat vertikal dengan sisi
atas ± 1 m dibawah permukaan
tanah
Panjang (m) Panjang (m) Ukuran (m2)
10 25 50 100 1 2 3 5 0,5x1 1x1
Resistans pembumian
(Ω)
20 10 5 3 70 40 30 20 35 25
Sumber :(PUIL 2000)
2.2.14 Metode Pengukuran Hambatan Pentanahan.
Faktor keseimbangan antara hambatan pentanahan dan tanah di sekelilingnya adalah hambatan jenis tanah yang direpresentasikan dengan ρ. Nilai hambatan jenis tanah pada suatu daerah di berbagai tempat tidaklah sama, tergantung dari beberapa faktor, yaitu jenis tanah, lapisan tanah, kelembaban tanah, kadar keasaman, dan temperatur. Adapun kesulitan yang biasanya dijumpai pada saat pengukuran hambatan petanahan adalah bahwa dalam kenyataannya komposisi tanah tidak sama, sehingga pada suatu lapisan tanah mungkin terdapat dua atau lebih jenis tanah dengan hambatan jenis yang berbeda.
Harga hambatan jenis tanah pada kedalaman yang terbatas sangatlah tergantung dengan keadaan cuaca.Untuk mendapatkan hambatan jenis tanah rata-rata, maka diperlukan suatu perencanaan dan pengukuran dalam jangka waktu tertentu, misalnya selama 1 tahun sekali.Biasanya hambatan jenis tanah juga tergantung dari tingginya permukaan air yang konstan.Untuk mengurangi variasi hambatan jenis tanah akibat pengaruh musim, pentanahan dapat dilakukan dengan menanamkan elektroda pentanahan mencapai kedalaman dimana terdapat air yang konstan.Tabel
2.1 dibawah ini menunjukan harga-harga hambatan jenis tanah (ρ) dari berbagai jenis tanah (PUIL 2000).
Ada beberapa metode yang biasa digunakan dalam pengukuran hambatan pentanahan yang mengacu dari (IEEE Std 81-2012, Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Grounding System) , yaitu : 1. Metode tiga titik (three-point methode);
Metode tiga titik (three-point methode) adalah metode yang paling sering digunakan dalam pengukuran hambatan pentanahan, dimaksudkan untuk mengukur hambatan pentanahan. Misalkan tiga buah batang elektroda pentanahan yang terdiri dari 1 batang elektroda utama yang hambatannya hendak diukur dan batang elektroda 2 dan 3 sebagai batang elektroda pembantu pada Gambar 2.11. Dalam metodeini pengukuran hambatan pentanahan diulangi beberapa kali dengan menambah kedalaman batang elektroda utama yang hambatannya hendak diukur.Metode tiga titik memberikan informasi yang berguna tentang sifat tanah disekitar batang elektroda yang ditanam.Jika volume besar (luas dan kedalaman) tanah yang diuji, maka lebih baik menggunakan metode empat titik, karena batang elektroda yang panjang tidak efektif pada beberapa kondisi tanah.
Sumber : (Ponadi, 2014)
Gambar 2. 11Rangkaian pengukuran hambatan pentanahan dengan metode tiga titik 2. metode empat titik.
Metode yang baik untuk mengukur hambatan tanah dalam volume besar (luas dan kedalaman) adalah metode empat titik. Prinsip kerja empat titik adalah apabila
arus masuk ketanah melalui salah satu elektroda dan kembali ke elektroda yang lain yang cukup jauh, maka diameter konduktor dapat diabaikan dan arus yang masuk ke tanah mengalir secara radial. Dengan mengukur besar arus dan tegangannya, maka diperoleh nilai hambatan (R) yang diterangkan pada Gambar 2.12.
Sumber : (Ponadi, 2014)
Gambar 2. 12Rangkaian pengukuran hambatan pentanahan dengan empat titik Adapun metode pengujian yang sering digunakan untuk menghitung hambatan pentanahan adalah metode Wenner yang dikembangkan oleh Dr. Frank Wenner (F. Wenner, A Method of Measuring) yang diterangkan pada persamaan 2.6 berikut ini :
ρ = 2 .π .a . R ... (2.6) keterangan :
ρ = hambatan jenis rata-rata tanah (ohm-meter).
a = jarak antar batang elektroda yang dekat (meter).
R = besar hambatan yang terukur (ohm).
