evaluasi instalasi sistem pentanahan pada gardu distribusi beton tb

EVALUASI INSTALASI SISTEM PENTANAHAN PADA GARDU
DISTRIBUSI BETON TB 54 PT. PLN (PERSERO) AREA JATINEGARA
Yasuko Maulina Shigeno, Amien Rahardjo
Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Indonesia
Abstrak - Pentanahan pada sistem distribusi diperlukan untuk mengalirkan arus gangguan ke
tanah bila terjadi gangguan sehingga kerusakan dapat diminimalisir. Pentanahan yang baik harus
memiliki nilai resistansi pentanahan yang sesuai dengan ketentuan yang berlaku. Berdasarkan
perhitungan, sistem pentanahan eksisting gardu beton TB 54 dengan sistem grid dan 5 buah rod
diperoleh resistansi pentanahan sebesar 0.9159 Ohm yang dapat dikatakan masih memenuhi
standar yang berlaku yaitu 1 Ohm. Kemudian setelah dilakukan beberapa variasi terhadap disain
pentanahan yang ada, rekomendasi perbaikan disain pentanahan adalah dengan menggunakan
grid berukuran 4 x 4 dengan total panjang konduktor grid 55 m tanpa menambahkan rod yang
menghasilkan resistansi pentanahan sebesar 0.9876 Ohm. Nilai tersebut juga masih memenuhi
standar yang berlaku. Dengan menggunakan disain yang direkomendasikan, PT. PLN (Persero)
dapat menghemat biaya bahan pembuatan pentanahan gardu betonnya yang berupa konduktor BC
50 mm2 dan pipa galvanis yaitu sebesar Rp. 927.881,7.
Kata kunci : gardu beton; grid; pentanahan; rod
Abstract - Grounding in distribution system is needed to drain the ground fault current in the
event of distruption so the damage can be minimized. Good grounding should have a grounding
resistance value in accordance with applicable regulations. Based on calculations,the grounding
resistance for the existing grounding system in TB 54 concrete substation with a grid system and
5 rods is 0.9159 Ohm that meets the applicable standard which is 1 Ohm .Then after a few
variations to the design of the existing grounding system, recommendation for its grounding
system design is a 4 x 4 grid with a 55 m for total length of conductor grid without adding rod
that produces 0.9876 Ohm of grounding resistance. This value is also still meets the applicable
standards. By using the recommended design, PT. PLN (Persero) is able to save Rp.927.881,7
from the cost of BC 50 mm2 and galvanized pipe for grounding construction in concrete
substation .
Keywords: concrete substations; grid; grounding; rod
I. PENDAHULUAN
Sistem tenaga listrik pada dasarnya dibagi menjadi tiga bagian besar yaitu sistem
pembangkitan, sistem transmisi, dan sistem distribusi. Sistem distribusi tenaga listrik merupakan
bagian yang langsung berhubungan dengan konsumen. Dengan perannya yang sangat penting,
yaitu menyalurkan energi listrik, diharapkan sistem distribusi mempunyai keandalan yang tinggi
agar penyediaan energi listrik dapat terus berlangsung.
Sistem pentanahan pada sistem ditribusi diperlukan untuk mengalirkan arus gangguan ke
tanah bila suatu saat terjadi gangguan sehingga kerusakan dapat dikurangi dan kestabilan sistem
dapat terjaga. Arus gangguan dapat menimbulkan gradient antara peralatan dan peralatan,
[1] Setiabudy, Rudy. 2007. Pengukuran Besaran Listrik. Jakarta : Lembaga Penerbit FE-UI.
[2] http://electricdot.wordpress.com/2012/09/19/sistem-pentanahan/
Evaluasi instalasi ..., Yasuko Maulina Shigeno, FT UI, 2013
peralatan dan tanah, dan gradient tegangan pada permukaan tanah yang berbahaya bagi manusia
dan peralatan. Dengan adanya sistem pentanahan yang baik maka kontinuitas dari penyaluran
energi listrik pun akan terjaga.
PT. PLN (Persero) sebagai perusahaan yang berkecimpung di bidang kelistrikan negara
mempunyai peranan penting dalam menyalurkan energi listrik kepada konsumen melalui jaringan
distribusinya. Pentanahan pada Gardu Distribusi PLN seharusnya memiliki nilai tahanan
pentanahan yang sesuai dengan ketentuan yang berlaku sehingga tujuan dan fungsi dari sistem
pentanahan gardu distribusi tersebut dapat terwujud.
Pada tanggal 9 Desember 2010 PT. PLN (Persero) telah membuat dan menerbitkan suatu
standar dalam bentuk buku yang berjudul “Standar Konstruksi Gardu Distribusi dan Gardu
Hubung Jaringan Distribusi Tenaga Listrik”. Adanya standar mempunyai fungsi sebagai patokan
atau acuan dalam melaksanakan kegiatan di lapangan. Namun kenyataannya banyak terjadi
penyimpangan-penyimpangan yang dilakukan oleh orang lapangan yang tidak sesuai dengan
standar yang berlaku. Dengan begitu perlu dilakukan suatu evaluasi apakah standar yang menjadi
acuan PT. PLN (Persero) dalam konstruksi gardu pada jaringan distribusi tenaga listrik tersebut
sudah diterapkan dengan baik atau justru pelaksanaannya dilapangan tidak mengikuti standar
tersebut. Evaluasi ini diharapkan menghasilkan suatu kesimpulan mengenai penerapan standar dari
PT. PLN (Persero) sehingga bisa memberikan kontribusi atau masukan bagi PT. PLN (Persero)
untuk penerapannya di masa yang akan datang.
II. TEORI
Pentanahan digambarkan sebagai suatu pelaksanaan koneksi atau hubungan listrik yang
sengaja dilakukan dari beberapa bagian instalasi listrik ke bumi [1]. Sistem pentanahan merupakan
rangkaian atau jaringan yang terdiri dari kutub pentanahan (elektroda), hantaran penghubung
(konduktor) sampai terminal pentanahan, yaitu terminal atau titik dimana perangkat dihubungkan.
Sistem pentanahan ada dua macam yaitu pentanahan sistem (netral) dan pentanahan peralatan.
Pentanahan peralatan merupakan tindakan pengamanan dari bagian-bagian mesin yang
secara normal tidak dialiri arus listrik namun dalam kondisi tidak normal bisa dilalui arus listrik
yaitu dengan cara menghubungkan instalasi yang diamankan dengan hantaran netral yang
ditanahkan sedemikian rupa sehingga jika terjadi kegagalan isolasi, tegangan sentuh yang tinggi
dapat dihindari sampai bekerjanya alat proteksi arus lebih. Sementara itu pentanahan netral biasa
Evaluasi instalasi ..., Yasuko Maulina Shigeno, FT UI, 2013
dilakukan pada pembangkit listrik dan transformator daya pada gardu-gardu induk dan gardugardu distribusi.
Tujuan dari sistem pentanahan berdasarkan IEEE Std 142TM-2007 adalah [2] :
a)
Membatasi besarnya tegangan terhadap bumi agar berada dalam batasan yang
diperbolehkan.
b)
Menyediakan jalur bagi aliran arus yang dapat memberikan deteksi terjadinya hubungan
yang tidak dikehendaki antara konduktor sistem dan bumi. Deteksi ini akan mengakibatkan
beroperasinya peralatan otomatis yang memutuskan suplai tegangan dari konduktor
tersebut.
Resistansi atau tahanan pentahanan merupakan seluruh nilai tahanan listrik dari sistem
pentanahan. Tahanan inilah yang harus diperhatikan dalam pemasangan instalasi listrik, yang
idealnya bernilai nol. Nilai tahanan pentanahan yang digunakan sebagai referensi dapat berbedabeda tergantung tempat dan kebutuhan. Semakin kecil nilai tahanannya maka semakin baik sistem
pentanahannya. Sebagai proteksi manusia dan peralatan diusahakan nilai tahanan pentanahan
kurang dari 1 Ohm. Namun hal ini dapat berbeda dengan sistem pentanahan pada sistem distribusi,
saluran transmisi, dan sistem tenaga yang lebih besar. Pada beberapa tempat nilai tahanan
pentanahan sebesar 5 Ohm sudah cukup baik.
III.
METODE
Metode penelitian pada skripsi ini adalah dengan pengambilan data pentanahan secara
langsung ke gardu-gardu distribusi jenis beton pada PLN area Jatinegara. Gardu yang dijadikan
sebagai objek penelitian adalah gardu beton dengan kode TB 54 yang berlokasi di Jl. L Kebon
Baru dan mulai beroperasi pada tanggal 5 April 2013.
Pada gardu beton tersebut dilakukan pengecekan apakah instalasi pentanahan yang
terpasang sudah sesuai dengan standar yang berlaku dam dilakukan pula pengukuran resistansi
pentanahan.. Berikut hasil pengambilan data instalasi pentanahan pada gardu beton TB 54 :
Evaluasi instalasi ..., Yasuko Maulina Shigeno, FT UI, 2013
TABEL I. DATA PENTANAHAN GARDU BETON TB 54
Beberapa dokumentasi pengambilan data kelengkapan pentanahan gardu beton TB 54 dapat
dilihat pada gambar 1 sampai 7.
Gambar 1 : Gardu Beton TB 54
Gambar 4 : Pentanahan Rak Kabel TM TR
Gambar 2 : Pentanahan Rak PHB TR
Gambar 5 : Pentanahan Kubikel
Gambar 3: Pentanahan Badan Trafo
Evaluasi instalasi ..., Yasuko Maulina Shigeno, FT UI, 2013
Gambar 6 : Lingkungan Sekitar Gardu
Gambar 7 : Pengukuran Diameter Konduktor Menggunakan Jangka
Sorong
Metode Perhitungan Tahanan Pentanahan
Pada skripsi ini metode perhitungan resistansi pentanahan yang digunakan adalah metode
Schwarz. Untuk mendapatkan nilai resistansi pentahanan sistem, harus diketahui terlebih dahulu
masing-masing resistansi konduktor grid, resistansi batang pentanahan (rod), dan resistansi mutual
dari konduktor grid dan rod [3].
Langkah-langkah yang dilakukan untuk perhitungan resistansi pentanahan sistem adalah :
1.
Mengumpulkan data-data yang diperlukan untuk perhitungan. Data-data yang diperlukan untuk
perhitungan dapat dilihat pada tabel 2.
TABEL 2 DATA UNTUK PERHITUNGAN RESISTANSI PENTANAHAN
2.
Menghitung resistansi konduktor grid (R1).
Resistansi konduktor grid didapat dengan menggunakan persamaan (1).
=
+
√
− [3] IEEE Std 80-2000. IEEE Guide for Safety In AC Substation Grounding.
Evaluasi instalasi ..., Yasuko Maulina Shigeno, FT UI, 2013
(1)
3.
Menghitung resistansi rod (R2).
Resistansi rod didapat dengan menggunakan persamaan (2).
=
4.
−1+
√
√
− 1 (2)
Menghitung resistansi pentanahan mutual konduktor grid dan rod (Rm).
Resistansi mutual antara konduktor grid dan rod didapat dengan menggunakan persamaan (3).
! =
5.
+
√
− + 1
(3)
Menghitung resistansi pentanahan sistem.
Setelah mendapatkan masing-masing resistansi konduktor grid (R1), resistansi rod (R2) dan
resistansi mutualnya (Rm), ketiga nilai tersebut disubstitusikan ke persamaan (4) untuk
mendapatkan nilai resistansi pentanahan sistem.
" = #
# $%
&# $%
(4)
Metode Perhitungan Kemampuan Hantar Arus pada Konduktor
Untuk menghitung kemampuan hantar arus pada konduktor, digunakan persamaan
kapasitas arus untuk elektroda tembaga berdasarkan IEEE Standar 80 yaitu :
'(!)* = +. -. /0(
(5)
dengan,
I
= arus gangguan [kA]
Akcmil = penampang konduktor [kilo circular mills]
t
= lama gangguan [detik]
Kf
= Konstanta untuk material dengan nilai Tm
bervariasi dan dengan nilai Ta sebesar 40°C
Dengan memasukkan parameter-parameter yang diketahui, akan didapat besarnya arus gangguan
dalam satuan kilo Ampere.
Evaluasi instalasi ..., Yasuko Maulina Shigeno, FT UI, 2013
Alur Metodologi Evaluasi
Diagram alur metodologi penelitian pada skripsi ini dapat dilihat pada gambar 4.1.
Gambar 8 Diagram Alur Metodologi Penelitian
IV.
HASIL DAN ANALISIS
Evaluasi Data Penelitian
Pada setiap konduktor pentanahan dilakukan pengukuran diameter konduktor dengan
menggunakan jangka sorong. Pada gardu beton TB 54, konduktor yang dipakai sudah memenuhi
standar minimal ukuran konduktor dimana diameter yang terukur adalah 9.6 mm. Pada tabel 1
dapat dilihat bahwa bagian-bagian yang ditanahkan pada gardu beton TB 54 tidak sepenuhnya
mengikuti standar karena ada satu parameter yang tidak terpenuhi yaitu pintu gardu tidak
ditanahkan.
Evaluasi instalasi ..., Yasuko Maulina Shigeno, FT UI, 2013
Rod
Konduktor Grid
Gambar 9 Disain Elektroda Pentanahan Gardu Beton TB 54
Pada gambar 9 dapat dilihat pemasangan konduktor grid yang melingkar di sekeliling
bangunan gardu yang ditambah dengan 5 konduktor rod. Konduktor yang dipakai adalah jenis
Bare Copper (BC) dengan luas penampang 50 mm2. Disain perencanaan pentanahan pada gardu
beton TB 54 telah mengikuti standar instalasi pentanahan berdasarkan “Buku 4 Standar
Konstruksi Gardu Distribusi dan Gardu Hubung Tenaga Listrik” dimana disebutkan bahwa
elektroda pentanahan pada gardu beton memakai sistem mesh/grid dengan penghantar tembaga
(Cu) berpenampang 50 mm2 yang digelar sekeliling dibawah pondasi bangunan gardu.
Evaluasi Nilai Resistansi Pentanahan
Setelah dilakukan perhitungan untuk rentang nilai resistivitas tanah 10-200 Ohm-meter diperoleh
data pada tabel 3. Baris dengan warna biru adalah hasil perhitungan dengan persentase kesalahan
terkecil.
Evaluasi instalasi ..., Yasuko Maulina Shigeno, FT UI, 2013
TABEL 3 HASIL PERHITUNGAN RESISTANSI PENTANAHAN
Dari hasil perhitungan diatas, diketahui nilai resistivitas tanah yang memenuhi standar
PLN untuk memperoleh nilai resistansi pentanahan sebesar 1 Ohm adalah 20 Ohm-meter dengan
persentase kesalahan sebesar 8.41 % yang merupakan nilai kesalahan terkecil jika dibandingkan
dengan resistivitas tanah yang lain. Jadi nilai resistivitas tanah yang dipakai untuk evaluasi
selanjutnya adalah 20 Ohm-meter.
Oleh karena itu penulis melakukan evaluasi mengenai disain sistem pentanahan pada
gardu beton TB 54 untuk mengetahui apakah disain pentanahan yang digunakan adalah disain
yang paling efisien berdasarkan variasi total panjang konduktor grid dan jumlah rod yang
ditanam.
Variasi dan kombinasi dari panjang konduktor grid dan jumlah rod untuk memperoleh
resistansi pentanahan yang diinginkan dilakukan sebanyak tujuh skenario. nR adalah jumlah rod
yang ditanam, LR adalah total panjang konduktor BC 50 mm2 yang digunakan sebagai konduktor
rod, Lc adalah panjang konduktor BC 50 mm2 yang digunakan sebagai konduktor grid, total BC
adalah total panjang konduktor BC 50 mm2 yang digunakan yang merupakan penjumlahan dari
LR dan Lc, dan Rs adalah nilai resistansi pentanahan dengan masing-masing disain tersebut.
Untuk lebih mudahnya, tabel 4 akan memperlihatkan pencapaian resistansi pentanahan
yang sesuai dengan standar yang berlaku pada masing-masing skenario dengan kombinasi yang
digunakannya.
[4] Analisa Harga Jasa Perkerjaan Sipil Periode April 2010. PT. PLN (Persero) Distribusi Jakarta Raya
dan Tangerang.
Evaluasi instalasi ..., Yasuko Maulina Shigeno, FT UI, 2013
TABEL 4 HASIL SKENARIO DENGAN NILAI RESISTANSI PENTANAHAN MENDEKATI 1 OHM
Dari tabel 4 dapat dilihat dengan beberapa kombinasi panjang konduktor grid dan jumlah
rod yang digunakan yang menghasilkan resistansi pentanahan yang mendekati namun tidak
melebihi 1 Ohm.
Dengan harga konduktor BC 50 mm2 adalah Rp.42.000 per meter, dan harga pipa
galvanis adalah Rp. 35.129,39 per meter [4], maka hasil perhitungan biaya bahan berupa
konduktor dan pipa galvanis untuk tiap skenario disain pentanahan yang telah dijelaskan
sebelumnya dapat dilihat pada tabel 5.
TABEL 5 PERBANDINGAN HARGA BAHAN MASING-MASING SKENARIO
Pada tabel 5 dapat dilihat bahwa pengeluaran biaya bahan yang paling rendah adalah pada
skenario 7. Jadi sistem pentanahan yang paling efisien adalah sistem pentanahan pada skenario
VII tanpa menggunakan rod.
Evaluasi Kemampuan Hantar Arus dalam Konduktor
Berdasarkan data, instalasi pentanahan pada gardu beton memakai konduktor jenis Bare
Copper (BC) 50 mm2. Dimana luas penampang konduktornya adalah 50 mm2. Dengan
mengkonversikan satuan luas penampang konduktor ke dalam kilo circular mill, didapat bahwa
luas penampang 50 mm2 sama dengan 98700 circular mill. Nilai inilah yang selanjutnya akan
dimasukkan ke dalam persamaan (5).
Konduktor jenis Bare Copper yang digunakan untuk pentanahan merupakan konduktor
dengan material annealed soft-drawn sehingga berdasarkan IEEE std 80, suhu maksimum
Evaluasi instalasi ..., Yasuko Maulina Shigeno, FT UI, 2013
konduktor yang diizinkan adalah sebesar 1083 ºC dengan konstanta material bernilai 7. Waktu
gangguan (t) akan divariasikan. Untuk lebih lengkapnya dapat dilihat hubungan kemampuan
hantar arus pada konduktor BC berpenampang 50 mm2 dengan variasi waktu gangguan 0.1 – 5
detik pada tabel dan grafik dibawah ini.
TABEL 6 KEMAMPUAN HANTAR ARUS KONDUKTOR BC 50 MM2
Dengan,
A
: luas penampang konduktor BC 50 mm2 yang telah
dikonversikan menjadi kilo circular mil. [kcmil]
kf
: konstanta material copper, annealed soft-drawn.
t
: waktu gangguan [detik].
I
: arus gangguan [kA].
Gambar 4.4 memperlihatkan kemampuan hantar arus pada konduktor berbanding terbalik
dengan lama gangguan. Semakin lama waktu gangguan yang terjadi maka akan semakin kecil
kemampuan hantar arus pada konduktor tersebut.
Gambar 10 Grafik Kemampuan Hantar Arus
Evaluasi instalasi ..., Yasuko Maulina Shigeno, FT UI, 2013
Perbandingan Disain Eksisting dan Disain Rekomendasi
Disain pentanahan awal (eksisting) pada gardu beton TB 54 adalah menggunakan
konduktor grid yang ditanam dibawah pondasi melingkar pada sekeliling gardu ditambah dengan
5 buah rod, dapat dilihat pada gambar (11). Dengan menggunakan disain sistem pentanahan ini
didapat resistansi pentanahan sebesar 0.9159 Ohm (masih memenuhi standar).
Gambar 11 Disain Pentanahan Eksisting Gardu Beton TB 54
Konduktor yang digunakan sebagai konduktor grid adalah BC dengan penampang 50
mm2 . Rod juga memakai konduktor BC dengan penampang 50 mm2 dan dilindungi oleh pipa
galvanis sepanjang 6 m. Total biaya bahan yang dikeluarkan untuk disain pentanahan eksisting
adalah Rp. 3.237.881,7
Berdasarkan skenario yang telah dilakukan, kombinasi disain konduktor grid dan jumlah
rod yang efisien ada pada skenario VII yaitu ketika menggunakan konduktor grid dengan total
panjang 55 meter. Disain ini dapat dilihat pada gambar 4.6 dan berdasarkan perhitungan didapat
nilai resistansi pentanahan sebesar 0.9876 Ohm (masih memenuhi standar).
Gambar 12 Disain Rekomendasi Sistem Pentanahan Gardu Beton TB 54
Evaluasi instalasi ..., Yasuko Maulina Shigeno, FT UI, 2013
Grid yang direkomendasikan sebagai perbaikan dari disain pentanahan sebelumnya
berukuran 4 x 4. Tidak digunakannya rod akan menekan biaya bahan pembuatan pentanahan
pada suatu gardu. Biaya bahan total yang dikeluarkan untuk disain sistem pentanahan ini adalah
Rp. 2.310.000. Sehingga selisih biaya bahan yang dikeluarkan adalah Rp. 927.881,7. Sehingga
perbaikan disain ini akan memberikan keuntungan bagi PLN dengan menghemat biaya bahan
pembuatan pentanahan gardu betonnya sebesar 28,66 % .
TABEL 7 PERBANDINGAN DISAIN SISTEM PENTANAHAN
EKSISTING DAN REKOMENDASI
Ringkasan dari perbandingan disain sistem pentanahan eksisting dengan disain pentanahan yang
direkomendasikan dapat dilihat pada tabel 7.
V.
KESIMPULAN
Dari penelitian yang dilakukan, dapat disimpulkan bahwa berdasarkan perhitungan, sistem
pentanahan eksisting gardu beton TB 54 dengan sistem grid dan 5 buah konduktor rod diperoleh
resistansi pentanahan sebesar 0.9159 Ohm dan masih memenuhi standar yang berlaku (1 Ohm).
Berdasarkan evaluasi dan perhitungan yang dilakukan, rekomendasi perbaikan disain pentanahan
adalah dengan menggunakan grid berukuran 4 x 4 dengan total panjang konduktor grid 55 m tanpa
menambahkan konduktor rod. Disain ini akan menghasilkan nilai resistansi pentanahan sebesar
0.9876 Ohm sehingga masih memenuhi standar yang berlaku. Dengan menggunakan disain sistem
pentanahan yang direkomendasikan, PLN dapat menghemat biaya bahan pembuatan pentanahan
gardu betonnya berupa konduktor BC 50 mm2 dan pipa galvanis sebesar 28,66%.
Evaluasi instalasi ..., Yasuko Maulina Shigeno, FT UI, 2013
VI. REFERENSI
[1] Setiabudy, Rudy. 2007. Pengukuran Besaran Listrik. Jakarta : Lembaga Penerbit FE-UI.
[2] http://electricdot.wordpress.com/2012/09/19/sistem-pentanahan/
[3] IEEE Std 80-2000. IEEE Guide for Safety In AC Substation Grounding.
[4] Analisa Harga Jasa Perkerjaan Sipil Periode April 2010. PT. PLN (Persero) Distribusi Jakarta
Raya dan Tangerang.
[5] Tim penulis. 2010. Standar Konstruksi Gardu Distribusi dan Gardu Hubung Tenaga Listrik.
PT PLN (Persero) : Jakarta.
Evaluasi instalasi ..., Yasuko Maulina Shigeno, FT UI, 2013