BAB V - WordPress.com

BAB IX
PERENCANAAN SISTEM
PENGETANAHAN GARDU INDUK
9.1. Umum
Sistem
pengetanahan
peralatan-peralatan
pada
gardu
induk
biasanya
menggunakan konduktor yang ditanam secara horisontal, dengan bentuk kisi-kisi (grid).
Konduktor pengetanahan biasanya terbuat dari batang tembaga keras dan memiliki
konduktivitar tinggi, terbuat dari kabel tembaga yang dipilin (bare stranded copper)
dengan luas penampang 150 mm2 dan mempunyai kemampuan arus hubung tanah
sebesar 250 kA selama 1 detik. Konduktor itu ditanam sedalam kira-kira 30 cm – 80 cm
atau bila dibawah kepala pondasi sedalam kira-kira 25 cm.
Luas kisi-kisi daerah switchyard sesuai dengan peralatan-peralatan yang ada,
dibatasi maksimum 10 m  5 m. Kisi-kisi pengetanahan bersambungan satu dengan
yang lainnya dan dihubungkan dengan batang pengetanahan yang terdiri-dari batang
tembaga. Batang tembaga ini berdiameter 15 mm, panjang 3,5 mm, ditanam dengan
kedalaman minimal sama dengan panjang batang itu sendiri. Selanjutnya batang
pengetnahan ini disebut titik pengetanahan.
Untuk pengetanahan rangka / badan dari peralatan dan struktur digunakan
batang-batang pengetanahan yang mempunyai luas penampang sama dengan luas
penampang kisi-kisi pengetanahan.
Semua dasar isolator-isolator, terminal-terminal pengetanahan dan pemisah
pengetanahan, netral trafo arus dan trafo tenaga, dasar penangkap petir (lightning
arrester) dan struktur dihubungkan dengan kisi-kisi pengetanahan. Pagar swithyard
yang terbuat dari besi/logam dan terisolir dari tanah diketanahkan melaluibatang
tembaga (35 mm2) panjang 1 meter serta ditanam di luar pagar sedalam 50 cm dengan
jarak lebih dari 5 meter terhadap kisi-kisi pengetanahan utama.
9.2. Perencanaan Pengetanahan Switchard
Seperti yang telah dijelaskan bahwa arus gangguan tanah yang mengalir
ditempat gangguan maupun di tempat pengetanahan gardu induk menimbulkan
perbedaan tegangan di permukaan tanah yang dapat mengakibatkan terjadinya tegangan
IX - 1
IX - 2
sentuh dan tegangan langkah yang melampaui batas-batas keamanan manusia dan
binatang.
Sistem pengetanahan pada gardu induk membuat permukaan tanah di lokasi
gardu induk mempunyai perbedaan tegangan yang serendah-rendahnya pada waktu
terjadi gangguan hubungan tanah atau membuat tahanan tanah serendah-rendahnya.
Pengetanahan peralatan pada gardu induk biasanya menggunakan sistem
pengetanahan kisi-kisi (grid) dan di lokasi switchyard diberi lapisan koral untuk
mengurangi besar perbedaan tegangan pada permukaan tanah.
Perencanaan sistem pengetanahan pada gardu induk ini didasarkan pada standar
IEEE 80 “IEEE guide for safety in substation Grounding” dengan langkah-langkah
sebagai berikut :
1. Pemeriksaan tahanan jenis tanah.
2. Perencanaan pendahuluan tata letak (layout) dan data-data.
3. Menghitung arus fibrilasi.
4. Menghitung jumlah batang pengetanahan yang diperlukan.
5. Menghitung arus gangguan hubung tanah.
6. Menghitung tahanan batang.
7. Menghitung ukuran konduktor kisi-kisi.
8. Menghitung tegangan sentuh.
9. Menghitung tegangan kisi-kisi (grid)
10. Menghitung tegangan mesh.
11. Menghitung tegangan langkah yang diijinkan.
12. Menghitung tegangan langkah yang sebenarnya.
13. Pemeriksaan tegangan trasfer (trasferred potential).
9.2.1. Tata Letak (Layout)
Kisi-kisi (grid) pengetanahan menggunakan konduktor tembaga bulat yang
ditanam pada seluruh batas gardu induk. Pengaturan tata letak sistem pengetanahan
pada suatu gardu induk dapat dilihat pada gambar 9.1. Pada gambar tersebut diberikan
panjang konduktor termasuk batang pengetanahan = 1.600 meter.
IX - 3
9.2.2. Tahanan Jenis Tanah
Pengukuran tahanan jenis tanah pada lokasi gardu induk diambil pada beberapa
titik lokasi. Tahanan jenis tanah dapat dihitung dengan mengguankan persamaan 9.4
dan ditulis sebagai :
  2 a R
(9-1)
Dimana :

a
R
=
=
=
resistansi jenis rata-ratatanah (ohm-meter)
jarak antara batang pentanahan yang terdekat (meter)
besar resistans yang terukur (ohm)
Misalkan hasil pengukuran di lokasi gardu induk tersebut diperoleh besar tahanan jenis
rata-rata  = 750 ohm-meter.
9.2.3. Arus Fibrilasi
Besarnya arus yang mengalir pada tubuh manusia dimana arus listrik dapat
menyebabkan jantung mulai fibrilasi, dapat dihitung berdasarkan persamaan 9.2 :
Ik 
0,116
t
(9-2)
Dimana :
Ik
t
:
:
arus fibrilasi (amper)
lama waktu gangguan (detik) = 0,75 detik
Lama waktu gangguan t tergantung dari beberapa faktor, antara lain stabilitas
sistem, tipe switchgear dan tipe rele dan pemutus daya yang digunakan. Sebegitu jauh
belum ada standar mengenai lama waktu gangguan. Waktu yang dianggap realistis
berkisar antara 0,5 detik sampai 1,0 detik. Pengambilan waktu 0,75 detik di atas
dianggap sudah memenuhi persyaratan dan cukup realistis. Bila harga-harga tersebut
dimasukan pada persamaan 9.2 diperoleh :
I k  0,134 ampere
IX - 4
9.2.4. Jumlah Batang Pengetanahan yang Diperlukan
Pada waktu arus gangguan mengalir antara batang pengetanahan dan tanah,
tanah akan menjadi panas akibat arus i 2  . Suhu tanah harus tetap di bawah 100C
untuk menjaga jangan sampai terjadi penguapan pada air kandungan dalam tanah dan
kenaikan tahanan jenis.
Kerapatan arus yang diijinkan pada permukaan batang pengetanahan dapat
dihitung dengan persamaan :
i  3,1414  10 4 d

t
(9-3)
Dimana :
i
d



t
=
=
=
=
=
=
kerapatan arus yang diijinkan
diameter batang pentanahan (mm)
panas jenis rata-rata tanah (watt-detik/m3/C)
kenaikan suhu tanah yang diijinkan
resistans jenis tanah
lama waktu gangguan
Kenaikan suhu tanah yang diijinkan adalah antara perbedaan temperatur rata-rata
tahanan dan 100C. misalkan kenaikan suhu diambil = 50C, maka kerapatan arus i :
i = 0,186 amp/cm ( = 750 ohm-meter)
seluruh panjang batang pentanahan yang diperlukan dihitung dari pembagian arus
gangguan ke tanah dengan kerapatan arus yang diijinkan, sedangkan jumlah batang
pengetanahan yang diperlukan diperoleh dari pembagian panjang total dengan panjang
satu batang. Jadi bila besar arus gangguan 1200 Ampere, maka jumlah batang
pengetanahan minimum dengan panjang 3,5 meter :
1200
 19 Batang
3,5100  0,186
9.2.5. Arus Gangguan
Besar arus gangguan tanah maksimum didasarkan pada nilai pemutusan
(interrupting rating) dari peralatan pengetanahan gardu induk. Misalkan tegangan
sistem 70 KV dan diketanahkan dengan kumparan Petersen yang dilengkapi dengan
tahanan shunt. Besar arus gangguan tanah diambil 30% dari arus hubung singkat tiga
fasa, yaitu setelah kumparan petersen di paralel oleh tahanan. Dalam disain ini
dimisalkan arus gangguan sebesar 1200 Amper.
IX - 5
9.2.6. Ukuran Kisi-Kisi Penghantar Pentanahan
Persamaan berikut yang dikembangkan oleh I.M. Onderdonk, dapat digunakan
untuk menentukan ukuran dari konduktor tembaga minimum yang dipakai sebagai
kisi-kisi pengetanahan.
A I
33 t
 T T

log 10  m a  1
 234  Ta

(9-4)
Dimana :
A
I
t
Tm
Ta
=
=
=
=
=
penampang konduktor (circular mils)
arus gangguan (= 1200 Ampere)
lama gangguan ( = 0,75 detik)
suhu maksimum konduktor yang diijinkan (=1083C)
suhu sekeliling tahanan (=30C)
Dengan menggunakan harga-harga tersebut di ataspada persamaan 9.4 diperoleh
A = 7146 circular mils atau A = 3,62 mm2. luas penampang / diameter untuk
sambungan-sambungan dengan pengelasan atau dengan baut dapat ditentukan dengan
mensubstitusi Tm dalam persamaan 9.4 yaitu :

Untuk pengelasan Tm = 450C.

Untuk baut Tm = 250C.
Sehingga :

Untuk pengelasan A = 4,71 mm2

Untuk baut A = 5,90 mm2
9.2.7. Tegangan Sentuh yang diijinkan
Besar tegangan sentuh yang diijinkan dapat ditentukan dengan persamaan
berikut ini :
Es  I k Rk  1,5  s 
(9-5)
Dimana :
Ik
Rk
= arus fibrilasi (=0,134 Amper)
= tahanan badan manusia (=1000 Ohm)
s
= tahanan jenis permukaan batu kerikil basah dimana orang berdiri
= 3000 Ohm-meter (untuk tanah yang dilapisi hamparan batu
koral).
IX - 6
Dengan memasukan harga-harga tersebut diperoleh :
Es  737 Volt
9.2.8. Tegangan Mesh atau Tegangan Sentuh Maksimum Sebenarnya
Tegangan mesh merupakan salah satu bentuk tegangan sentuh. Tegangan mesh
ini didefinisikan sebagai tegangan peralatan yang diketanahkan terhadap tengah-tengah
daerah yang dibentuk konduktor kisi-kisi (center of mesh) selama gangguan tanah.
Tegangan mesh ini menyatakan tegangan tertinggi yang mungkin timbul sebagai
tegangan sentuh yang dapat dijumpai dalam sistem pengetanahan gardu induk, dan
inilah yanag diambil sebagai tegangan untuk disain yang aman.
Tegangan mesh itu secara pendekatan sama dengan Em, dimana  tahanan jenis
tanah dalam Ohm-meter dan i arus yang melalui konduktor kisi-kisi.
Nb
(9-6)
Dimana :
Km 
Ki
:
D
h
d
n
:
:
:
:

:
:
:
I
L
2 n  2  1 
1
D2
1 3 5 7 9
  0,3695
ln
 ln       
2 16 hd   4 6 8 10
2 n  2  2 
(9-7)
Faktor koreksi untuk ketidakmerataan kerapatan arus, yang di hitung
dengan rumus emperis = 0,65 + 0,172 n ( = 3,402)
Jarak antara konduktor-konduktor paralel pada kisi-kisi (= 4 m)
Kedalaman penanaman konduktor (=0,8 m)
Diameter konduktor kisi-kisi (= 0,016 m)
Jumlah konduktor paralel dalam kisi-kisi utama, tidak termasuk sambungan
melintang (= 16)
Tahanan jenis rata-rata tanah (=750 Ohm-meter)
Besar arus gangguan tanah (= 1200 Amper)
Panjang konduktor pengetanahan yang ditanam termasuk semua batang
pengetanahan (=1600 m)
Tegangan sentuh maksimum yang timbul dalam rangkaian (mesh) tidak terletak
di pusat kisi-kisi (daerah persegi empat yang dibentuk konduktor kisi-kisi), dimana
tegangan mesh di atas dihitung, tetapi terletak agak di bagian luar kisi-kisi (grid). Tetapi
bila kisi-kisi mempunyai delapan konduktor paralel atau kurang perbedaan tegangan
sentuh maksimum yang ada dan tegangan mesh di bagian luar kisi-kisi tidak akan
melebihi 10%. Oleh karena itu, untuk kisi-kisi dengan delapan konduktor paralel atau
kurang tidak dibutuhkan perhitungan yang eksak (teliti) bila dipergunakan faktor
IX - 7
keselamatan yang sesuai dalam perbandingan antara tegangan mesh dan tegangan
sentuh yang diijinkan.jadi bila kisi-kisi mempunyai delapan konduktor paralel atau
kurang, tegangan mesh dapat dihitung dengan persamaan 9.6 dan 9.7. Tetapi bila jumlah
konduktor paralel melebihi 8, persamaan 9.7 diatas harus dirubah.
Untuk pemakaian sehari-hari sudah cukup menggunkan persamaan 9.6 dan 9.7
diatas, maka :
Em  0,3695 3,402  750  1200 / 1600  707 Volt
Jadi tegangan sentuh sebenarnya 707 Volt lebih kecil dari tegangan sentuh yang
diijinkan 737 Volt, dengan demikian pemilihan jarak antara kisi-kisi serta pangjang total
konduktor sudah memenuhi persyaratan.
9.2.9. Tegangan Langkah yang diijinkan
Tegangan langkah yang diijinkan dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan 9.8 :
El  I k Rk  6  s 
(9-8)
Dimana :
Ik
Rk
s
:
:
:
arus fibrilasi (=1,134 Amper)
tahanan tubuh manusia (-1000 ohm)
tahanan jenis permukaan tanah (=3000 Ohm-meter)
Maka diperoleh :
El  2546 Volt
9.2.10. Tegangan Langkah Sebenarnya
Tegangan langkah sebenarnya adalah perbedaan tegangan yang terdapat diantara
kedua kaki bila manusia berjalan diatas tanah sistem pengetanahan pada keadaan terjadi
gangguan. Tegangan langkah maksimum sebenarnya dapat dihitung dengan persamaan
berikut ini :
Elm  K s K i 
I
L
(9-9)
IX - 8
Dimana :

=
Ki =
I =
L =
Ks 
tahanan jenis rata-rata tanah (= 750 Ohm-meter)
0,65 + 0,172 n = 3,402 (n = 16)
arus gangguan tanah maksimum (= 1200 Amper)
panjang total konduktor yang ditanam, termasuk
pengetanahan = 1600 meter
batang

1 1
1
1
1
1
 




n  1 D 
  2h D  h 2D 3D
(9-10)
Dimana :
h =
D =
kedalaman penanaman konduktor penanaman (= 0,8 meter)
jarak antara konduktor-konduktor paralel (= 5 meter)
Maka :
Elm  0,4014  3,402  750  1200 / 1600  768Volt
Jadi tegangan langkah sebenarnya 768 Volt, sedang tegangan langkah yang diijinkan
2546 Volt. Dengan demikian pemilihan jarak-jarak kisi-kisi serta panjang total
konduktor sudah memenuhi persyaratan
Hasil-hasil perhitungan tegangan-tegangan mesh dan tegangan langkah untuk
gardu induk tersebut dikumpulkan dalam Tabel 9.1.
Tabel 9.1. Perhitungan tegangan sentuh dan tegangan langkah
No
Spesifikasi
1. tahanan jenis tanah ()
2. jumlah konduktor paralel dalam kisi-kisi
utama (n)
3. koefisien (Km)
4. Ki = 0,65 + 0,172 n
5. panjang koduktor pengetanahan yang
ditanam (L)
6. koefisien (Ks)
7. tegangan sentuh yang diijinkan (Es)
8. tegangan langkah diijinkan (El)
9. tegangan mesh (Em)
10. tegangan langkah sebenarnya (Elm)
Satuan
Harga
Ohm-meter
-
750
16
meter
0,3695
3,402
1600
Volt
Volt
Volt
Volt
0,4014
737
2546
707
768
IX - 9
Dari Tabel 9.1 dapat dilihat, bahwa dengan disain pengetanahan tersebut telah
diperoleh tegangan mesh Em yang lebih kecil dari tegangan sentuh Es dan tegangan
langkah Em lebih kecil dari tegangan langkahb yang diijinkan El. Dengan demikian
disain pengetanahan yang dilakukan telah memenuhi persyaratan.
Bila seandainya estimasi yang diambil menghasilkan panjang konduktor yang
terlalu kecil, maka perencanaan harus diulang lagi dengan jarak kisi-kisi yang lebih
kecil. Sama halnya, bila estimasi yang diambil menghasilkan panjang konduktor yang
terlalu besar, maka perencanaan harus diulang dengan jarak-jarak kisi-kisi yang lebih
besar supaya lebih ekonomis. Dalam kedua hal di atas harga-harga K m , K s dan K i
harus dihitung kembali. Jadi perencanaan pengetanahan ini pada hakekatnya adalah
proses iterasi, dengan demikian sangat baik bila menggunakan komputetr.
Selanjutnya dapat dihitung tahanan ekivalen sistem pengetanhan switchyard
tersebut dari persamaan berikut :
R0 

4 r


L
Dimana :
r = Jari-jari ekivalen dari luas switchyard (daerah pengetanahan) dalam meter.
Jadi :
 r 2  75 50 , atau r  34,55 meter
Maka :
R0 
750
750

 5,9 Ohm.
4  34,55 1600
IX - 10
Gambar 11.1. Sistem pengetnahan gardu induk
Jumlah konduktor paralel pada kisi-kisi utama
Panjang konduktor kisi-kisi utama
Panjang konduktor kisi-kisi melintang
Lain-lain
Panjang batang-batang pengetanahan
Panjang total konduktor
= 16
= 16 × 50 = 800 meter
= 6 × 75 = 450 meter
= 110 metr
= 68 × 3,5 = 238 meter
= L
= 1600 meter