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 : PERANCANGAN APLIKASI SISTEM PENTANAHAN GRID GARDU INDUK UNTUK AREAL TANAH LAPIS DUA Nama Mahasiswa : Azwar Nasution
Nomor Induk : 187034010
Program Studi : Magister Teknik Elektro
Menyetujui Komisi Pembimbing:
(Ir. Surya Hardi,. M.S., Ph.D.) (Dr. Ir. Fahmi, M.Sc., IPM)
Ketua Anggota
Ketua Program Studi, Dekan,
(Suherman, S.T.,M.Comp., Ph.D.) (Ir. Seri Maulina, M.Si., Ph.D.)
Telah Lulus : 12 Agustus 2020
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.
i
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.
ii
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 two- layer 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.
iii
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 sebesar- besarnya 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
iv
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
v
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/[email protected]
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
vi 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 Latar Belakang……….……… 1
1.2 Perumusan Masalah………... 4
1.3 Tujuan Penelitian……….……… 5
1.4 Batasan Masalah……….………... 1 5 1.5 Manfaat Penelitian……….…..……… 1 6 1.6 Sistematika penulisan……….. 6
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ……….……….………. 8
2.1 Gardu Induk……….….…………... 8
2.2 Standar IEEE 80-2013……….…….…………... 10
2.3 Impedansi dan Arus Gangguan……….….…….…………. 14
2.4 Konduktor Pentanahan………….………... 16
2.5 Tahanan Jenis Tanah………..……. 22
2.5.1 Tahanan jenis tanah lapis seragam………... 23
2.5.2 Tahanan jenis tanah lapis dua………... 25
2.6 Tahanan Pentanahan………... 29
2.7 Tegangan dan Faktor Geometri……….. 34
2.8 Arus dan Potensial Grid……….. 41
2.9 Perangkat Lunak LabVIEW………... 42
vii
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN………..………..…… 49
3.1 Diagram Alir Penelitian ……….. 49
3.2 Tahapan Perancangan dan Pembuatan Aplikasi….………. 50
3.3 Tahapan Validasi Aplikasi ………..……… 52
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN………... 56
4.1 Hasil Perancangan Aplikasi ……… 56
4.2 Hasil Validasi Aplikasi……… 57
4.2.1 Validasi bagian rancangan sistem pentanahan…... 57
4.2.2 Validasi bagian tahanan jenis tanah………... 68
4.3 Pembahasan………..………... 73
4.3.1 Analisis bagian rancangan sistem pentanahan…… 73
4.3.2 Analisis bagian tahanan jenis tanah……… 76
4.3.3 Perbandingan spesifikasi aplikasi secara keseluruhan………. 78
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN……….. 81
5.1 Kesimpulan ………. 81
5.2 Saran……… 82
DAFTAR PUSTAKA……….. 83
LAMPIRAN ………..………... 86
viii
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
ix
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
4.3. 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
4.16. Hasil rancangan panel untuk menghitung tahanan lapis
seragam ……… 69
4.17 Panel untuk menghitung tahanan jenis lapis-dua…………. 70
x
Nomor Judul Halaman
4.18 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
xi
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 Data asumsi yang digunakan pada pengujian bagian tahanan jenis………
.
54 4.4. Hasil validasi aplikasi ASPG untuk arus gangguan If dan
Rasio X/R………..………... 58
4.5. Hasil validasi aplikasi ASPG pada bagian diameter kabel
minimal……… 59
4.6. Hasil validasi aplikasi ASPG untuk kriteria tegangan
langkah dan tegangan sentuh……….………... 61 4.7. Hasil validasi aplikasi ASPG untuk menghitung tahanan
pentahanan……….…... 65
4.8. Hasil validasi aplikasi ASPG untuk arus dan potensial
grid……... 67 4.9. 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 lapis-
dua……… 72
xii
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
4.15. Perbandingan hasil perhitungan kriteria tahanan pentanahan, GPR, dan tegangan aktual antara ASPG
dengan penelitian [3]..……….. 75 4.16. Perbandingan hasil perhitungan tahanan jenis lapis
seragam ASPG dengan IEEE 80-2013………... 77 4.17. Perbandingan nilai ketinggian lapisan h1 dan jarak
elektroda antara hasil rancangan ASPG dengan IEEE 80-
2013……….. 77
4.18. Perbandingan hasil perhitungan tahanan jenis tanah lapis-
dua antara ASPG dengan IEEE 80-2013 [1]…………..….. 78 4.19. Perbandingan hasil rancangan sistem pentanahan ASPG
dengan berbagai literatur……….………. 79
1 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,
2
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.
3
3 Sistem komputasi yang dibuat berbentuk aplikasi yang tersendiri (stand- alone 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
4
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,
