4.Sistem Pentanahan

Practical Power Systems Protection
Penerjemah : Kunto. W (2015). Bacaan tambahan dalam Kuliah Sistem Proteksi.
Dari Buku: Leslie Hewitson, Mark Brown, Ramesh Balakrishnan, “Practical Power Systems
Protection”, (2004),
4.Sistem Pentanahan
4.1 Introduksi
Dalam Bab 2 kita telah membahas secara singkat bahwa gangguan fase-ke-tanah dalam sistem
dapat membatasi arus gangguan tanah tergantung pada penambahan impedansi eksternal antara
netral dan bumi. Bab ini secara singkat meliputi berbagai metode grounding yang diadopsi dalam
sistem listrik. Dalam pasal berikut, transformator terhubung bintang-ditunjukkan dalam banyak
kegunaan pada distribusi daya listrik. Metode grounding juga berlaku dalam kasus generator, yang
belitannya juga selalu terhubung STAR.
Tabel berikut menyoroti masalah yang mungkin dapat terjadi dalam suatu sistem karena
kesalahan umum dan solusi yang dapat dicapai dengan mengadopsi sistem grounding.
Solusi
Tahap pemisahan (Phase segregation):
Menghilangkan kesalahan fase-ke-fase.
Hambatan pentanahan:
Berarti arus gangguan pentanahan rendah - dapat direkayasa untuk membatasi setiap nilai
yang dipilih.
Manfaat
1. Kesalahan yang merusak sekarang minimal - mengurangi bahaya kebakaran.
2. Waktu pemadaman rendah - produksi hilang (lost production) berkurang, pendapatan
hilang (lost revenue) berkurang.
3. Potensial sentuh terjaga dalam batas aman - melindungi kehidupan manusia.
4. Arus kesalahan rendah mengurangi kemungkinan menyulut gas - meminimalkan bahaya
ledakan.
5. tekanan tanpa magnet atau termal dikenakan pada tanaman selama kesalahan.
6. Tegangan lebih transien dibatasi - mencegah tekanan pada isolasi, Restriking breaker
(breaker restrikes).
4.2 Divais Pentanahan
4.2.1 Solid earthing
Dalam hal ini, netral transformator daya ditanahkan secara solid (mantap) dengan konduktor
tembaga seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1.
1
Gambar 4.1 pentanahan padat transformator daya
Keuntungan
• Netral disambung secara efektif pada potensial pentanahan.
• Hubung singkat fasa-ke-tanah besarnya sama dengan hubung singkat fase-ke-fase; sehingga tidak
perlu untuk rile sensitif khusus.
• Biaya divais pembatas arus dihilangkan.
• Gradasi isolasi terhadap titik netral N mengurangi ukuran dan biaya transformator.
Kekurangan
• Karena sebagian besar hubung singkat sistem adalah fase-ke-tanah, guncangan berat lebih besar
dibandingkan dengan resistansi pentanahan.
• harmonik ketiga cenderung bersirkulasi antar netral.
4.2.2 Resistance earthing
Sebuah resistor terhubung antara transformator netral dan bumi (lihat Gambar 4.2):
• Terutama digunakan di bawah 33 kV.
• Nilai adalah sebagai pembatas arus gangguan pentanahan untuk transformator antara 1 dan 2
kali nilai beban penuh. Atau, untuk dua kali rating normal penyulang terbesar, yaitu yang lebih
besar.
Gambar 4.2 Hambatan (resistans) pentanahan
Keuntungan
• Batas tekanan (stress) listrik dan mekanik pada sistem ketika gangguan pentanahan terjadi, tapi
pada saat yang sama, arus cukup untuk mengoperasikan peralatan perlindungan normal.
Kekurangan
• Isolasi line-to-line penuh diperlukan antara fase dan bumi.
4.2.3 Reactance earthing
Reaktor A terhubung antara transformator netral dan bumi (lihat Gambar 4.3):
• Nilai reaktansi adalah kurang lebih sama seperti yang digunakan untuk hambatan pentanahan.
2
• Untuk mencapai nilai yang sama seperti resistor, desain reaktor lebih kecil dan dengan demikian
lebih murah.
Gambar 4.3 Reaktansi pentanahan
4.2.4 Arc suppression coil (Petersen coil)
Sebuah reaktor tertala terhubung pada transformator netral ke bumi (lihat Gambar 4.4):
• Nilai reaktansi dipilih sedemikian rupa sehingga reaktans arus menetralkan kapasitans arus. Oleh
karena itu arus pada titik kesalahan secara teoritis nol dan tidak mampu mempertahankan busur,
sesuai namanya (yaitu arc supression coil/ kumparan pemadam busur).
• Secara virtual sistem sepenuhnya terisolasi, maka arus tersedia untuk mengoperasikan peralatan
pelindung sangat kecil dapat diabaikan. Untuk mengimbangi hal ini, bagian yang rusak dapat
dibiarkan dalam pelayanan tanpa batas tanpa kerusakan sistem karena kebanyakan hubung
singkat adalah hubung singkat pentanahan yang bersifat sementara, busur awal pada titik
kesalahan dipadamkan dan tidak restrike.
Gambar 4.4 Kumparan pemadam busur (coil Petersen)
Rile watt-metrik (watt-metrical relays) sensitif digunakan untuk mendeteksi hubung singkat
pentanahan permanen.
4.2.5 Earthing via neutral earthing compensator
Tersedia titik pentanahan untuk sistem delta dan menggabungkan secara semu resistans dan
reaktans pentanahan dalam membatasi arus gangguan pentanahan dengan nilai keamanan yang
handal (lihat Gambar 4.5).
Gambar 4.5 Pentanahan melalui kompensator pentanahan netral
3
4.3 Evaluation of earthing methods
Metode pentanahan dikatakan efektif membumi ketika terhubung langsung ke bumi (secara
solid (mantap) dibumikan) tanpa komponen pasif di antaranya. Pentanahan non-efektif mengacu
kepada, metode pembumian melalui hambatan, reaktans, trafo, dll
Tabel berikut membandingkan metode pembumian.
Evaluation of Relative Merits of Effective and Resistive Earthing
1
2
3
Subject
Effective Earthing
Resistive Earthing
Rated voltage of system
Need not exceed 0.8Um
Must be at least 1.0Um for 100 s
components, particularly
power cables and metal
oxide surge arresters
Earth fault current magnitude
Approximately equal to
three-phase fault current
(typically 2–10 kA)
Reduced earth fault current
magnitude (typically
300–900 A)
Degree of damage, because
of an earth fault
High degree of damage at fault
point and possible damage
to feeder equipment
Lesser degree of damage at
fault point and usually no
damage to feeder equipment
Step and touch potentials
during earth fault
High step and touch potentials
Reduced step and touch
potentials
Inductive interference on and
possible damage, to
control and other
lower-voltage circuits
High probability
Lower probability
Relaying of fault conditions
Satisfactory
Satisfactory
Cost
Lower initial cost but higher
long-term equipment repair
cost
Higher initial cost but lower
long-term equipment repair
cost, usually making
resistive earthing more
cost-effective
Figure 4.6 Touch potentials – solid earthing
4
Gambar 4.6 memberikan potensi kontak dengan Pentanahan solid. Gambar 4.7 menunjukkan
potensi kontak dengan hambatan R diperkenalkan pada netral. Berikut tanah arus gangguan dibatasi
oleh hambatan R, sehingga hanya mengurangi aliran arus ke bumi. Namun, itu adalah praktek yang
normal untuk mengadopsi metode pentanahan padat(solid) pada tegangan rendah (sampai sekitar
600 V) dan resistansi grounding diadopsi untuk tegangan tinggi (sampai 33 kV). Metode lain dari
pentanahan (reaktor, trafo, dll) umumnya diadopsi dalam kasus tegangan melampaui 33 kV. Biaya
selalu menentukan metode pentanahan.
Alasan utama untuk mengadopsi pentanahan padat(solid), karena hambatan pentanahan
tidak dapat digunakan untuk beban fase tunggal, sedangkan sebagian besar distribusi LV terutama
rumah tangga, dll terdiri dari beban fase tunggal. Namun demikian, hambatan grounding di
lingkungan industri dianggap pada tegangan rendah, di mana beban tiga fase yang terhubung dan
kondisi proses tidak menerima shutdowns yang sering terjadi karena kesalahan tanah (ground
faults). Meskipun benar bahwa gangguan listrik dapat dipertahankan rendah dengan penggunaan
metode pentanahan resistif, perlindungan manusia menuntut kekuatan untuk terisolasi terhadap
kasus kesalahan tanah. Itulah salah satu alasan lebih untuk menggunakan pentanahan solid dalam
trafo distribusi utilitas.
Figure 4.7 Touch potentials – resistive earthing
4.4 Effect of electric shock on human beings
4.4.1 Electric shock and sensitive earth leakage protection
Ada empat faktor utama, yang menentukan keseriusan sengatan listrik:
1. Jalan yang diambil oleh arus listrik melalui tubuh
2. Jumlah arus
3. Waktu arus mengalir
4. hambatan listrik di tubuh.
Jalan yang paling berbahaya dan paling umum adalah melalui jantung (lihat Gambar 4.8).
orang biasanya tidak kesetrum antara fase atau fase-ke-netral, hampir semua kecelakaan adalah
fase-ke-tanah.
5
Figure 4.8 Dangerous current flows
Gambar 4.8 aliran arus yang berbahaya
Gambar 4.9 menunjukkan empat tahap efek dari aliran arus melalui tubuh:
1. Persepsi - kesemutan - sekitar 1 mA
2. Let-go threshold level (ambang batas Biarkan-pergi bisa lepas) - sekitar 10 mA
3. Non-let-go (ambang batas Tidak-biarkan-pergi  tidak bisa lepas/ lengket) - 16 mA
4. Constriction of the thoracic muscles – death by asphyxiation and ventricular fibrillation
(Penyempitan otot dada - mati oleh sesak napas dan fibrilasi ventrikel) - sekitar 70-100 mA.
Figure 4.9 Effects of current flow through the body
Gambar 4.9 Pengaruh aliran arus melalui tubuh
Gambar 4.10 menunjukkan normal elektro-kardiogram - satu ketuk pulsa - pada 80 bpm = 750 ms.
1. QRS fase: aksi pompa yang normal
2. T fase: fase refraktori atau sisa - sekitar 150 ms
3. Kematian bisa terjadi jika dalam periode yang sangat singkat 150 ms aliran arus adalah di
tingkat fibrilasi.
Gambar 4.10 Electro Cardiogram
Gambar 4.11 menunjukkan hambatan dari tubuh manusia - tangan ke tangan atau kaki tangan
ke. Pertimbangkan contoh seorang pria bekerja dan berkeringat, ia menyentuh konduktor pada 300
V (525 V fase ke bumi). 300 V dibagi dengan 1000 Ω = 300 mA. Penting untuk diingat bahwa, itu
adalah arus yang membunuh dan bukan tegangan.
6
Figure 4.11 Resistance of human body
Gambar 4.11 Hambatan dari tubuh manusia
4.4.2 Perlindungan kebocoran pentanahan sensitif
Pentanahan tidak menjamin bahwa manusia akan dilindungi ketika datang di kontak dengan
konduktor hidup. Meskipun mungkin ada rile, yang ditetapkan untuk merasakan kebocoran
pentanahan, selalu pengaturan nya tinggi. Oleh karena pemutus sirkuit kebocoran pentanahan
(earth leakage circuit breakers (ELCB)) atau pemutus sirkuit arus sisa (residual current circuit
breakers (RCCB)) yang diadopsi di mana kemungkinan interaksi manusia untuk konduktor hidup yang
tinggi. Pemutus ini bekerja pada prinsip keseimbangan inti arus.
Gambar 4.12 menggambarkan operasi perangkat kebocoran keseimbangan inti. Ketika kondisi
sistem normal, arus fasa dan arus netral akan sama dan sefase. Oleh karena itu CT tidak akan
mendeteksi setiap arus dalam kondisi normal sejak IL + DI = 0 (jumlah vektor).
Figure 4.12 Prinsip-prinsip proteksi keseimbangan inti.
ELCB yang terdiri dari keseimbangan inti CT dipasang pada ujung sumber. Ketika manusia
datang dalam kontak pada setiap bagian dari garis, bagian dari arus akan mulai mengalir melalui
tubuh. Ini akan mengakibatkan ketidakseimbangan arus masuk dan kembali ke CBCT dari ELCB. Jika
arus gangguan IF, mengalir melalui tubuh manusia, dikurangi dengan jumlah ini. Rile dioperasikan
oleh kuantitas ketidakseimbangan ini, dan ELCB tersebut segera trip.
Adalah normal bahwa ELCBs adalah pemutus cetakan mirip dengan circuit breakers miniatur,
CBCT dipasang di dalam. Hal serupa juga terjadi bahwa CBCT dapat dipasang di luar dan arus tidak
seimbang dapat diambil untuk trip sebuah rile terpisah yaitu rile kebocoran pentanahan.
Contoh di atas dianggap sebagai sistem tunggal-fase. Namun, prinsipnya adalah sama untuk
sistem tiga fasa dengan netral, di mana juga jumlah vektor dari arus tiga fase (IR + IY + IB) dan
kembali IN arus netral akan menjadi nol. Semua fase dan konduktor netral yang diambil melalui
CBCT sehingga CBCT tidak mengindera apapun arus dalam kondisi normal. Dalam hal terjadi
7
kebocoran di fase apapun, CBCT segera mendeteksi ketidakseimbangan dan menyebabkan breaker
untuk trip.
ELCBs tersedia dengan sensitivitas 30 mA, 100 mA dan 300 mA. Untuk perlindungan manusia,
ELCBs 30 mA dianjurkan, karena arus yang mengalir di atas 30 mA pada manusia dapat
menyebabkan kerusakan serius termasuk kematian.
8