BAB I

PENDAHULUAN

METODA PENTANAHAN

1.1. Latar belakang

Dalam suatu gardu induk dibutuhkan suatu sistem pentanahan yang handal.

Hal ini dimaksudkan agar ketika terjadi gangguan fasa ke tanah pada Gardu Induk

Tegangan Tinggi (GITT)150 kV tidak akan membahayakan keselamatan

manusia, sebab arus gangguan akan mengalir pada bagian peralatan dan ke piranti

pentanahan. Hal ini akan menimbulkan gradien tegangan diantara peralatan

dengan peralatan, peralatan dengan tanah dan gradien tegangan pada permukaan

tanah yang berbahaya bagi manusia dan peralatan yang berada di area gardu

induk. Oleh sebab itu diperlukan sistem pentanahan yang baik dan efektif

meratakan gradien tegangan yang timbul.

Sistem pentanahan peralatan gardu induk yang umum digunakan saat ini

adalah sistem pentanahan Driven Rod, Counterpoise, menggunakan kisi (Grid)

dan gabungan antara sistem pentanahan Grid dan Rod. Dari ketiga model sistem

pentanahan ini sistem kisi (Grid) dan Rod paling sering digunakan untuk Gardu

Induk Tegangan Tinggi 150 kV. Untuk jenis tanah di Lampung yang

dikelompokkan dalam 3 jenis tanah yakni jenis tanah bebatuan, jenis tanah

berpasir dan jenis tanah pertanian memiliki tahanan jenis tanah yang berbeda-

beda. Jadi dibutuhkan analisis untuk menghitung nilai tahanan pentanahan,

tegangan sentuh dan tegangan langkah dengan membuat kombinasi antara jumlah

mesh dan rodnya, kedalaman penanaman konduktor dengan mempertimbangkan

nilai dari tahanan jenis tanah, pengaruh tahanan jenis tanah untuk beberapa jenis

tanah yang berbeda dengan kedalaman yang sama serta dimensi area pentanahan

yang akan digunakan sehingga menghasilkan nilai tahanan pentanahan (R),

tegangan sentuh (Em) dan tegangan langkah (Es) yang lebih baik dan lebih aman.

1

Pada penelitian ini akan dilakukan perhitungan untuk menganalisis nilai

dari tahanan pentanahan, tegangan sentuh, dan tegangan langkah untuk ketiga

jenis tanah di Lampung dimana nilai tersebut masih memenuhi standard yang

telah ditentukan dan dapat dikategorikan baik dan aman bagi manusia dan

peralatan. Untuk melakukan semua perhitungan tersebut dengan cepat, maka

diperlukan suatu media perhitungan melalui bantuan komputer yakni dengan

menggunakan program MS Visual Basic. Melalui program ini maka akan

diperoleh suatu kombinasi grid rod yang baik dan tepat dan menghasilkan nilai

tahanan pentanahan, tegangan sentuh dan tegangan langkah yang aman dan

sesuai dengan ketentuan standard IEEE/ANSI Std 80-1986.

Penelitian ini menggunakan data sistem pentanahan salah satu gardu

induk yang ada di Lampung yakni sistem pentanahan Grid Rod Gardu Induk

Tegangan Tinggi (GITT) 150 kV Sutami Lampung dan data pengukuran tahanan

jenis tanah di Lampung. (A. Ilahi, 2005) sebagai data Input dan pembanding

terhadap nilai yang ditetapkan oleh standard IEEE/ANSI Std 80-1986.

1.1.1. Pengertian Pentanahan Peralatan

Pentanahan peralatan adalah pentanahan bagian dari peralatan yang pada

kerja normal tidak dilalui arus. Bila terjadi hubung singkat suatu penghantar

dengan suatu peralatan, maka akan terjadi beda potensial (tegangan), yang

dimaksud peralatan di sini adalah bagian-bagian yang bersifat konduktif yang

pada keadaan normal tidak bertegangan seperti bodi trafo, bodi PMT, bodi PMS,

bodi motor listrik, dudukan Baterai dan sebagainya. Bila seseorang berdiri di

tanah dan memegang peralatan yang bertegangan, maka akan ada arus yang

mengalir melalui tubuh orang tersebut yang dapat membahayakan. Untuk

menghindari hal ini maka peralatan tersebut perlu ditanahkan. Pentanahan yang

demikian disebut pentanahan peralatan.

Pentanahan peralatan merupakan hal yang sangat penting dan perlu

diperhatikan, baik pada pembangunan gardu induk, pusat-pusat listrik, industri-

2

industri bahkan rumah tinggal juga perlu dilengkapi dengan sistem pentanahan

ini. Tujuan pentanahan peralatan dapat diformulasikan sebagai berikut:

a. Untuk mencegah terjadinya tegangan kejut listrik yang berbahaya bagi

manusia dalam daerah itu.

b. Untuk memungkinkan timbulnya arus tertentu baik besarnya maupun

lamanya dalam keadaan gangguan tanah tanpa menimbulkan kebakaran

atau ledakan pada bangunan atau isinya.

c. Untuk memperbaiki penampilan (performance) dari sistem.

1.1.2. Tahanan Pentanahan

Adalah besarnya tahanan pada kontak/hubung antara masa (body) dengan

tanah. Faktor-faktor yang mem pengaruhi besarnya pen tanahan:

a. Tahanan jenis tanah.

b. Panjang jenis elektroda pentanahan.

c. Luas penampang elektroda pentanahan.

Harga pentanahan makin kecil makin baik. Untuk perlindungan personil dan

peralatan perlu diusahakan tahanan pentanahan lebih kecil dari 1 Ohm. Hal ini

tidak praktis untuk dilaksanakan dalam suatu sistem distribusi, saluran transmisi,

ataupun dalam substation distribusi. Beberapa peralatan/standar yang telah

disepakati adalah bahwa saluran transmisi, substation harus direncanakan

sedemikian rupa, sehingga tahanan pentanahan tidak melebihi harga satu ohm.

Dalam gardu-gardu induk distribusi, harga tahanan maksimum yang

diperbolehkan adalah 5 ohm. Demikian juga halnya pada menara transmisi, untuk

menghindarkan lompatan karena naiknya tegangan/potensial pada waktu terjadi

sambaran petir maka tahanan kaki menara perlu dibuat sekecil mungkin (di

Amerika kurang dari 10 Ohm).

Untuk memahami mengapa tahanan pentanahan harus rendah, dapat

digunakan hukum Ohm yaitu:

V = I x R volt

Di mana:

V = tegangan (volt)

I = Arus (ampere)

3

R = Tahanan (ohm)

Pentanahan yang ideal harus memberikan nilai tahanan pentanahan

mendekati nol atau ≤ 1 ohm untuk gardu induk bertegangan tinggi (ANSI/IEEE

Std 80-1986). Sebagai perkiraan pertama, sebuah nilai minimum dari tahanan

pentanahan gardu induk pada tanah yang seragam (uniform) untuk lapisan

pertama (permukaan tanah) saja dapat dihitung dengan persamaan :

Rg = ρ4 √ π

A ..........................................................................................(3)

dimana,

Rg = tahanan pentanahan (Ω )

ρ = tahanan jenis tanah (Ω -m )

A = luas area pentanahan grid ( m2)

Kemudian, pada lapisan kedua dengan adanya gabungan antara grid dan

batang rod untuk tanah yang seragam, jumlah konduktor grid dan konduktor

batang rod yang ditanam pada kedalaman tertentu dikombinasikan dengan

persamaan 2 sehingga diperoleh persamaan seperti dibawah ini {Laurent, P. G.,

1951 dan Nieman, J, 1952) :

Rg = ρ4 √ π

A +

ρL ..................................................................................(4)

dimana,

L = total dari panjang konduktor yang tertanam ( m )

Untuk perhitungan nilai tahanan dari pentanahan grid yang diformulasikan oleh

Nieman, J., (1952), diperoleh sebagai berikut :

Rg = ρ( 1

4 r+ 1

L ) untuk h = 0; r = √ A / π .....................................(5)

4

Perhitungan tahanan pentanahan untuk kedalaman tertentu yakni 0 < h <

2.5 m berdasarkan Laurent, P.G.,(1951) diperoleh

Rg = ρ x

18 r (1+ r

2. 5h+r )................................................................(6)

Dari kedua persamaan 5 dan 6 diatas dikombinasikan oleh IEEE Std 80-

1986 diperoleh persamaan untuk kedalam konduktor 0 m < h < 2.5 m :

Rg = ρ [ 1

L+

1

√20 A (1+1

1+h√20/ A )]..............................................(7)

dimana,

h = kedalaman penanaman konduktor (m).

Panjang total konduktor pentanahan L merupakan penjumlahan dari grid dan rod :

L = Lc + Lr ........................................................................................(8)

dengan,

Lc = panjang konduktor pentanahan grid

Lr = panjang konduktor pentanahan rod.

Untuk menentukan panjang konduktor pentanahan grid Lc dapat

dirumuskan :

Lc = L1n + L2m..................................................................................(9)

D1 =

L1

m−1 ........................................................................................(10)

D2 =

L2

n−1 .........................................................................................(11)

Lc = L1( L2

D2

+1)+L2 m ...................................................................(12)

5

dimana,

L1 = panjang konduktor ( m )

L2 = lebar konduktor ( m )

n = jumlah konduktor parallel sisi panjang

m = jumlah konduktor parallel sisi lebar

D1 = jarak antar konduktor parallel sisi panjang

D2 = jarak antar konduktor parallel sisi lebar

1.1.3. Macam-Macam Elektroda Pentanahan

Pada dasarnya terdapat tiga macam elektroda pentanahan yaitu:

1. Elektroda Pita, berupa pita atau kawat berpenampang bulat yang ditanam

di dalam tanah umumnya penanamannya tidak terlalu dalam (0,5 - 1

meter) dan caranya ada bermacam-macam.

Elctroda Pita

Elektroda pita jenis ini terbuat dari bahan metal berbentuk pita atau juga

kawat BCC yang di tanam di dalam tanah secara horizontal sedalam ± 2

feet. Elektroda pita ini bisa dipasang pada struktur tanah yang mempunyai

tahanan jenis rendah pada permukaan dan pada daerah yang tidak

mengalami kekeringan. Hal ini cocok untuk daerah – daerah pegunungan

dimana harga tahanan jenis tanah makin tinggi dengan kedalaman.

2. Elektroda Batang, berupa batang yang ditanam tegak lurus dalam Tanah.

Electrode batang

Elektroda batang terbuat dari batang atau pipa logam yang di tanam

vertikal di dalam tanah. Biasanya dibuat dari bahan tembaga, stainless

6

steel atau galvanised steel. Perlu diperhatikan pula dalam pemilihan bahan

agar terhindar dari galvanic couple yang dapat menyebabkan korosi.

Ukuran Elektroda : diameter 5/8 ” - 3/4 ” Panjang 4 feet – 8 feet.

Elektroda batang ini mampu menyalurkan arus discharge petir maupun

untuk pemakaian pentanahan yang lain.

3. Elektroda pelat, berupa pelat yang ditanam tegak lurus dalam tanah.

Elektroda ini terdapat tiga macam bentuk yaitu :

- Bentuk Grid

- Bentuk radial

- Bentuk lingkaran

Bentuk elektroda pelat biasanya empat persegí atau empat persegi panjang

yang tebuat dari tembaga, timah atau pelat baja yang ditanam didalam tanah. Cara

penanaman biasanya secara vertical, sebab dengan menanam secara horizontal

hasilnya tidak berbeda jauh dengan vertical. Penanaman secara vertical adalah

lebih praktis dan ekonomis.

1.1.4. Pengaruh Besar Tahanan Terhadap Sistem Tenaga Listrik

a. Makin besar tahanan tanah, tegangan sentuh makin besar.

b. Makin besar tahanan tanah pada tiang transmisi, makin besar tegangan

puncak tiang.

c. Makin besar tahanan tanah pada tiang transmisi, makin banyak jumlah

Isolator yang harus dipasang (jumlah isolator makin panjang).

d. Tahanan tanah mempengaruhi penampilan saluran (line performance).

1.1.5. Pengaruh Tahanan Pen tanahan yang Kecil pada Sistem

a. Mengurangi tegangan pada puncak tiang

7

b. Mengurangi tegangan pada kawat penghantar

c. Mengurangi tegangan pada isolator

d. Mengurangi gangguan sampai beberapa gawang

e. Mengurangi waktu berlangsungnya tegangan merusak (Break Down

voltage).

1.2. Tujuan Pembahasan Pentanahan

Berdasarkan tujuan pentanahan dapat dibedakan menjadi dua, yaitu:

1. Pentanahan sistem (Pentanahan titik netral)

Pentanahan sistem yang dimaksud menghubungkan titik netral peralatan (trafo) ke

tanah.

Pentanahan sistem bertujuan:

Melindungi peralatan/saluran dari bahaya kerusakan yang diakibatkan oleh

adanya gangguan fasa ke tanah;

Melindungi peralatan/saluran terhadap bahaya kerusakan isolasi yang

diakibatkan oleh tegangan lebih;

Untuk keperluan proteksi jaringan;

Melindungi makhluk hidup terhadap tagangan langkah (step voltage);

2. Pentanahan statis (pentanahan peralatan)

Pentanahan ini dilakukan dengan menghubungkan semua kerangka

peralatan (metal work) yang dalam keadaan normal tidak dialiri arus sistem ke

sistem pentanahan switchyard (mess atau rod).

Pentanahan statis bertujuan:

• Melindungi makhluk hidup terhadap tegangan sentuh;

• Melindungi peralatan tegangan rendah terhadap tegangan lebih.

1.3. Faktor-faktor yang menentukan tahanan pentanahan

Tahanan pentanahan suatu elektroda tergantung pada tiga faktor :

8

1. Tahanan elektroda itu sendiri dan penghantar yang menghubungkan ke

peralatan yang ditanahkan.

2. Tahan kontak antara elektroda dengan tanah.

3. Tahanan dari massa tanah sekeliling elektroda.

Namun demikian pada prakteknya tahanan elektroda dapat diabaikan, akan

tetapi tahanan kawat penghantar yang menghubungkan keperalatan akan

mempunyai impedansi yang tinggi terhadap impuls frekuensi tinggi seperti misal

pada saat terjadi lightningdischarge. Untuk menghindarinya, sambungan ini di

usahakan dibuat sependek mungkin.

Dari ketiga faktor tersebut diatas yang dominan pengaruhnya adalah tahanan

sekeliling elektroda atau dengan kata lain tahanan jenis tanah (ρ).

a. TAHANAN JENIS TANAH (ρ)

Dari rumus untuk menentukan tahanan tanah dari statu elektroda yang

hemispherical R = ρ/2πr terlihat bahwa tahanan pentanahan berbanding lurus

dengan besarnya ρ. Untuk berbagai tempat harga ρ ini tidak sama dan tergantung

pada beberapa faktor :

1. sifat geologi tanah

2. Komposisi zat kimia dalam tanah

3. Kandungan air tanah

4. Temperatur tanah

5. Selain itu faktor perubahan musim juga mempengaruhinya.

b. Sifat geologi tanah

Ini merupakan faktor utama yang menentukan tahanan jenis tanah. Bahan

dasar dari pada tanah relatif bersifat bukan penghantar. Tanah liat umumnya

mempunyai tahanan jenis terendah, sedang batu-batuan dan quartz bersifat

sebagai insulator.

9

Tabel dibawah ini menunjukkan harga-harga ( ρ ) dari berbagai jenis tanah.

No

.

JENIS TANAHTAHANAN JENIS

TANAH( ohm.meter )

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Tanah yang mengandung air

garam

Rawa

Tanah liat

Pasir Basah

Batu-batu kerikil basah

Pasir dan batu krikil kering

Batu

5 – 6

30

100

200

500

1000

3000

c. Komposisi zat – zat kimia dalam tanah

Kandungan zat – zat kimia dalam tanah terutama sejumlah zat organik

maupun anorganik yang dapat larut perlu untuk diperhatikan pula. Didaerah yang

mempunyai tingkat curah hujan tinggi biasanya mempunyai tahanan jenis tanah

yang tinggi disebabkan garam yang terkandung pada lapisan atas larut. Pada

daerah yang demikian ini untuk memperoleh pentanahan yang efektif yaitu

dengan menanam elektroda pada kedalaman yang lebih dalam dimana larutan

garam masih terdapat.

10

d. Kandungan air tanah

Kandungan air tanah sangat berpengaruh terhadap perubahan tahanan jenis

tanah ( ρ ) terutama kandungan air tanah sampai dengan 20%.

Dalam salah satu test laboratorium untuk tanah merah penurunan kandungan

air tanah dari 20% ke 10% menyebabkan tahanan jenis tanah naik samapai 30

kali.Kenaikan kandungan air tanah diatas 20% pengaruhnya sedikit sekali.

e. Temperatur tanah

Temperatur bumi pada kedalaman 5 feet (= 1,5 m) biasanya stabil terhadap

perubahan temperatur permukaan.

Bagi Indonesia daerah tropic perbedaan temperatur selama setahun tidak

banyak, sehingga faktor temperatur boleh dikata tidak ada pengaruhnya.

11

BAB II

PEMBAHASAN

2.1. Metoda Pentanahan Titik Netral:

Pada sistem ini bila terjadi gangguan phasa ke tanah akan selalu mengakibatkan

terganggunya saluran (line outage), yaitu gangguan harus di isolir dengan

membuka pemutus daya. Salah satu tujuan pentanahan titik netral secara langsung

adalah untuk membatasi tegangan dari fasa-fasa yang tidak terganggu bila terjadi

gangguan fasa ke tanah.

Metoda-metoda pentanahan titik netral sistem tenaga listrik adalah sebagai

berikut:

- Pentanahan melalui tahanan (resistance grounding)

Pentanahan titik netral melalui tahanan (resistance grounding) dimaksud

adalah suatu system yang mempunyai titik netral dihubungkan dengan tanah

melalui tahanan (resistor).

Pada umumnya nilai tahanan pentanahan lebih tinggi dari pada reaktansi

sistem pada tempat di mana tahanan itu dipasang. Sebagai akibatnya besar

arus gangguan fasa ke tanah pertama-tama dibatasi oleh tahanan itu sendiri.

Dengan demikian pada tahanan itu akan timbul rugi daya selama terjadi

12

gangguan fasa ke tanah. Secara umum harga tahanan yang ditetapkan pada

hubung netral adalah:

R =R=VfI

ohm

di mana:

R = Tahanan ( Ohm )

Vf = Tegangan fasa ke netral

I = Arus beban penuh dalam Ampere dari transformator.

Dengan memilih harga tahanan yang tepat, arus gangguan ke tanah dapat

dibatasi sehingga harganya hampir sama bila gangguan terjadi di segala

tempat di dalam sistem bila tidak terdapat titik pentanahan lainnya. Dalam

menentukan nilai tahanan pentanahan akan menentukan besarnya arus

gangguan tanah.

- Pentanahan melalui reaktor (reactor grounding)

Suatu transmisi tegangan tinggi/tegangan ekstra tinggi yang panjang tanpa

berbeban maka tegangan penerima akan naik akibat adanya capasitansi di

sepanjang jaringan. Tegangan yang naik melebihi tegangan yang dijinkan

tidak diperkenangkan. Untuk mendapatkan tegangan yang diinginkan maka

pada ujung transmisi dipasang reactor yaitu suatu beban reaktif induktif

(VAR). Besarnya reaktif terpasang sangat tergantung pada kebutuhan.

Perubahan beban juga dapat mengakibatkan perubahan tegangan, bila

pengaturan tegangan melalui tap trafo tidak lagi memungkinkan maka reactor

mempunyai peranan dalam pengaturan tegangan.

- Pentanahan langsung (effective grounding). Sistem pentanahan langsung

adalah di mana titik netral system dihubungkan langsung dengan tanah, tanpa

memasukkan harga suatu impedansi.

- Pentanahan melalui reaktor yang impedansinya dapat berubah-ubah(resonant

grounding) atau pentanahan dengan kumparan Petersen (Petersen Coil).

13

Gbr.2.1. contoh pentanahan titik netral dengan menggunakan kumparan Peterson.

Sistem pentanahan dengan kumparan Petersen adalah di mana titik netral

dihubungkan ke tanah melalui kumparan Petersen (Petersen Coil). Kumparan

Petersen ini mempunyai harga reaktansi (XL) yang dapat diatur.

Keuntungan :

- Tegangan lebih pada phasa-phasa yang tidak terganggu relatif kecil

- Kerja pemutus daya untuk melokalisir lokasi gangguan dapat dipermudah,

sehingga letak gangguan dapat diketahui

- Sederhana dan murah dari segi pemasangan

Kerugian :

- setiap gangguan phasa ke tanah selalu mengakibatkan terputusnya daya

- arus gangguan ke tanah besar, sehingga akan dapat membahayakan

makhluk hidup didekatnya dan kerusakan peralatan listrik yang dilaluinya

2.2. Pentanahan dengan Driven Ground

Adalah pentanahan yang dilakukan dengan cara menancapkan batang elektroda ke

tanah.

14

Gbr.2.2.a. Pentanahan dengan Driven Ground

Satu batang electrode dua batang electrode

Gbr.2.3.b. pentanahan dengan menggunakan Counter Poise

Pentanahan dengan counter poise biasanya digunakan apabila tahanan tanah

terlalu tinggi dan tidak dapat dikurangi dengan cara pentanahan driven ground,

biasanya karena tahanan jenis tanah terlalu tinggi.

15

Gbr. Pentanahan menara dengan Counter Poise

2.3. Pentanahan dengan Mesh atau Jala

Adalah cara pentanahan dengan jalan memasang kawat elektroda membujur dan

melintang di bawah tanah, yang satu sama lain dihubungkan di setiap tempat

sehingga membentuk jala (Mesh). Sistem pentanahan Mesh biasanya dipasang di

gardu induk dengan tujuan untuk mendapatkan harga tahanan tanah yang sangat

kecil (kurang dari 1 ohm).

16

Gambar. Pentanahan dengan Mesh (jala)

Harga tahanan jenis selalu bervariasi sesuai dengan keadaan tanah pada saat

pengukuran. Makin tinggi suhu maka makin tinggi tahanan jenisnya. Sebaliknya

makin rendah suhu maka makin rendahtahanan jenisnya. Secara umum harga-

harga tahanan jenis ini diperlihatkan pada table berikut ini :

Table tahanan jenis tanah.

Sering dicoba untuk merubah komposisi kimia tanah dengan memberikan

garam pada tananh dekat electrode ditanam dengan maksut untuk mendapatkan

tahanan jenis tanah yang rendah.

17

BAB III

PENUTUP

3.1. Kesimpulan

Metoda Pentanahan Titik Netral:

Metoda-metoda pentanahan titik netral sistem tenaga listrik adalah sebagai

berikut:

- Pentanahan melalui tahanan (resistance grounding)

Pentanahan titik netral melalui tahanan (resistance grounding) dimaksud

adalah suatu system yang mempunyai titik netral dihubungkan dengan tanah

melalui tahanan (resistor).

- Pentanahan melalui reaktor (reactor grounding)

- Pentanahan langsung (effective grounding). Sistem pentanahan langsung

adalah di mana titik netral system dihubungkan langsung dengan tanah, tanpa

memasukkan harga suatu impedansi.

- Pentanahan melalui reaktor yang impedansinya dapat berubahubah(resonant

grounding) atau pentanahan dengan kumparan Petersen (Petersen Coil).

Sistem pentanahan dengan kumparan Petersen adalah di mana titik netral

dihubungkan ke tanah melalui kumparan Petersen (Petersen Coil). Kumparan

Petersen ini mempunyai harga reaktansi (XL) yang dapat diatur.

Pentanahan dengan Driven Ground

Pentanahan dengan counter poise biasanya digunakan apabila tahanan tanah

terlalu tinggi dan tidak dapat dikurangi dengan cara pentanahan driven ground,

biasanya karena tahanan jenis tanah terlalu tinggi.

Pentanahan dengan Mesh atau Jala

Adalah cara pentanahan dengan jalan memasang kawat elektroda membujur

dan melintang di bawah tanah, yang satu sama lain dihubungkan di setiap tempat

sehingga membentuk jala (Mesh). Sistem pentanahan Mesh biasanya dipasang di

18

gardu induk dengan tujuan untuk mendapatkan harga tahanan tanah yang sangat

kecil (kurang dari 1 ohm).

DAFTAR PUSTAKA

- Willheim.R, Waters.M, “Neutral Grounding”, In High Voltage

Transmission. Elsevier Publishing company.

- http://robubeth.smkn1sgs.sch.id/BSE SMK/teknik%20transmisi%20tenaga

%20listrik%202/04%20teknik%20transmisi%20tng%20listrik%202%20bab

%20vi%20.pdf

- http://dte.usu.ac.id/e-learning/e-journal/summary/5/14.html

19