Penerapan Sistem Grid Tak Simetri pada Pentanahan Gardu Induk Bulukumba

Penerapan Sistem Grid Tak Simetri pada Pentanahan Gardu Induk Bulukumba

Tulisan ini merupakan hasil penelitian, dilaksanakan dengan tujuan untuk mengetahui besarnya tegangan sentuh yang timbul pada permukaan tanah bila terjadi pengaliran arus gangguan ke tanah. Tegangan sentuh dihitung untuk sistem grid tak simetri dan dibandingkan dengan sistem grid simetri. Dengan menggunakan dua jenis sistem grid ini diketahui perbandingan panjang konduktor pentanahan untuk masing-masing tegangan sentuh yang masih memenuhi syarat keamanan. Pada penelitian ini, tahanan jenis tanah diperoleh sebesar 15 ohm-m, dan tahanan jenis lapisan permukaan tanah (crushed-rock) sebesar 3000 ohm-m. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa dengan sistem grid tak simetri diperoleh tegangan sentuh yang masih memenuhi syarat keamanan sebesar 585,30 volt dengan panjang elektroda pentanahan 1260 meter. Untuk sistem grid simerti diperoleh tegangan sentuh sebesar 588,17 volt dengan panjang elektroda pentanahan 1755 meter. Dari kedua sistem pentanahan ini, maka untuk sistem grid tak simetri diperoleh penghematan konduktor pentanahan sebesar 28,05 %.
1. Pendahuluan
Gardu induk Bulukumba merupakan salah satu gardu induk yang sementara dalam tahap pembangunan. Gardu induk ini menggunakan tegangan kerja 150 kV. Sejalan dengan rencana pembangunan gardu induk, maka hal penting yang juga perlu diperhatikan adalah perencanaan sistem pentanahannya. Sistem pentanahan inilah yang akan turut menentukan keamanan peralatan dan orang yang berada disekitar gardu induk pada saat terjadi gannguan ke tanah.
Gardu induk bertujuan untuk menaikkan/menurunkan tegangan. Pada gardu induk ini terdapat beberapa peralatan antara lain transformator daya, pemutus tenaga, arrester, pemisah dan lain-lain. Frame dari peralatan-peralatan ini umumnya terbuat dari metal. Apabila isolasi peralatan tidak berfungsi dengan baik maka bagian-bagian peralatan yang seharusnya tidak bertegangan akan menjadi bertegangan. Akibat lain bila isolasi peralatan tidak berfungsi dengan baik adalah adanya arus gangguan (arus bocor) yang mengalir pada bagian-bagian peralatan yang terbuat dari metal dan juga mengalir dalam tanah di sekitar gardu induk.
Arus gangguan ini menimbulkan gradien tegangan di antara peralatan dengan peralatan, peralatan dengan tanah dan juga gradien tegangan pada permukaan tanah itu sendiri. Gradien tegangan di permukaan tanah ini dapat mengakibatkan terjadinya tegangan sentuh dan tegangan langkah yang bila melampaui batas keamanan akan berbahaya baik terhadap orang maupun terhadap peralatan itu sendiri. Besarnya gradien tegangan pada permukaan tanah ini tergantung pada tahanan jenis tanah. Untuk mencegah atau memperkecil gradien tegangan pada permukaan tanah tersebut dalam suatu gardu induk, maka rangka dari peralatan harus selalu ditanahkan yaitu dengan cara menambahkan elektroda pentanahan yang ditanam ke dalam tanah. Selama ini sistem pentanahan gardu induk yang banyak digunakan adalah sistem grid, dan sistem gabungan grid-rod. Kedua sistem ini jarak antara konduktor paralelnya sama (sistem grid simetri). Kelemahan dengan sistem tersebut adalah bahwa untuk memperoleh tegangan permukaan yang masih memenuhi syarat keamanan, dibutuhkan konduktor pentanahan yang lebih panjang. Berdasarkan hal ini maka untuk mendapatkan sistem pentanahan yang baik sesuai dengan struktur tanah, dalam penelitian ini digunakan sistem grid tak simetri dan dibandingkan dengan sistem grid simetri untuk masing-masing tegangan sentuh yang masih memenuhi syarat keamanan.

Media Pengaliran Arus Gangguan ke Tanah

Bila pada saat terjadi gangguan seseorang berjalan di atas switch yard sambil memegang atau menyentuh suatu peralatan yang diketanahkan, maka akan ada arus mengalir melalui tubuh orang tersebut. Arus listrik ini akan mengalir dari tangan ke kedua kaki dan terus ke tanah, bila orang tersebut menyentuh suatu peralatan, atau dari kaki yang satu ke kaki yang lain, bila ia berjalan di dalam switch yard tanpa menyentuh peralatan. Berat ringannya bahaya yang dialami seseorang tergantung pada besarnya arus yang mengalir melalui tubuh, lamanya arus tersebut mengalir dan frekuensinya. Berdasarkan hasil penyelidikan tentang tahanan tubuh manusia oleh beberapa orang ahli, sepakat bahwa sebagai pendekatan diambil tahanan tubuh manusia rata-rata sebesar 1000 Ohm.

Struktur dan Karakteristik Tanah

Struktur dan karakteristik tanah merupakan salah satu faktor yang mutlak diketahui karena mempunyai kaitan erat dengan perencanaan sistem pentanahan yang akan digunakan. Nilai tahanan jenis tanah harganya bermacam-macam, tergantung pada komposisi tanahnya. Batasan atau pengelompokan tahanan jenis dari berbagai macam jenis tanah pada kedalaman tertentu tergantung pada beberapa hal antara lain pengaruh temperatur, pengaruh kelembaban, dan pengaruh kandungan kimia. • Pengukuran Tahanan Jenis Tanah Pengukuran tahanan jenis tanah biasanya dilakukan dengan metode empat elektroda (metode Wenner) atau dengan metode menggunakan metode tiga elektroda. Pengukuran dengan metode Wenner menggunakan empat buah elektroda (dua elektroda arus dan dua elektroda tegangan), batere, sebuah amperemeter dan sebuah voltmeter yang sensitif sebagaimana terlihat dalam Gambar 1. Dari Gambar 1 terlihat bahwa arus I masuk ke tanah melalui salah satu elektroda dan kembali ke elektroda yang lain yang cukup jauh sehingga pengaruh diameter konduktor dapat diabaikan. Arus yang masuk ke tanah mengalir secara radial dari elektroda. Misalkan arah arus dari elektroda (1) ke elektroda (2) yang berbentuk permukaan bola dengan jari-jari r, maka tahanan jenis tanah adalah ................, dengan R adalah tanan tanah.

Konduktor Pentanahan

Konduktor yang digunakan untuk pentanahan harus memenuhi beberapa persyaratan antara lain: Memiliki daya hantar jenis yang cukup besar sehingga tidak akan memperbesar beda potensial lokal yang berbahaya, memiliki kekuatan mekanis, tahan terhadap peleburan dari keburukan sambungan listrik, dan tahan terhadap korosi. Pada umumnya tembaga digunakan sebagai bahan untuk konduktor pentanahan karena tembaga dapat dikatakan mempunyai sifat yang memenuhi syarat di atas.

Metode Sistem Pentanahan

Sistem pentanahan peralatan pada gardu induk biasanya menggunakan konduktor yang terbuat dari tembaga dan memiliki konduktivitas yang tinggi. Pentanahan peralatan gardu induk mula-mula dilakukan dengan metode driven-rod, yakni menanamkan batang konduktor tegak lurus permukaan tanah, kemudian menggunakan sistem pentanahan dengan menanamkan batang-batang konduktor sejajar permukaan tanah dan pada kedalaman beberapa cm di bawah permukaan tanah (counterpoise). Penelitian selanjutnya dengan sistem penanaman elektroda secara horisontal dengan bentuk kisi-kisi (grid) dan gabungan sistem grid dengan rod. Sistem pentanahan dengan gabungan ini cukup efektif untuk meratakan tegangan di permukaan tanah saat terjadi gangguan tanah dan dapat menghasilkan tahanan pentanahan yang rendah. Hasil penelitian terakhir menunjukkan bahwa pentanahan dengan sistem grid tak simetri memiliki beberapa keuntungan bila dibandingkan dengan sistem sebelumnya. Pentanahan dengan sistem ini yang akan dicoba diterapkan dan akan dibandingkan dengan pentanahan sistem grid simetri serta pentanahan yang akan diuraikan lebih lanjut.
A. Pentanahan Sistem Grid Simetri
Pentanahan dengan sistem grid ini dilakukan dengan menanamkan batang-batang elektroda pentanahan dalam tanah pada kedalaman beberapa cm, sejajar dengan permukaan tanah dan elektroda tersebut dihubungkan satu dengan lainnya sehingga membentuk beberapa jaringan. Makin banyak konduktor yang ditanam dengan sistem ini, maka tegangan yang timbul pada permukaan tanah pada saat terjadi gangguan ke tanah akan terdistribusi merata. Adapun bentuk elektroda dengan sistem grid (kisi-kisi) ini dapat dilihat pada Gambar 2.
Pada pentanahan sistem grid simetri ini apabila jumlah elektroda pentanahan yang membentuk grid (kisi-kisi) menjadi banyak, maka akan menyerupai bentuk pelat dan yang optimum untuk memperoleh nilai tahanan pentanahan yang kecil.
B. Pentanahan Sistem Grid Tak Simetri
Pentanahan dengan sistem grid tak simetri ini pada perinsipnya sama dengan pentanahan sistem grid simetri. Perbedaannya hanya pada distribusi konduktor kisi-kisi (konduktor paralel yang membentuk grid ) tidak sama jaraknya untuk satu sisi. Penetapan konduktor paralel yang pertama selalu dimulai pada pertengahan daerah pentanahan. Dengan sistem grid tak simetri ini akan menyebabkan arus terdistribusi dengan baik sehingga tegangan permukaan yang timbul pada saat terjadi gangguan ke tanah menjadi lebih rendah. Gambar 3 memperlihatkan sistem grid tak simetri.
Gradien Tegangan Pada Permukaan Tanah
Pada umumnya sebagai pengamanan, gradien tegangan antara titik sentuh pada peralatan dengan titik pada permukaan tanah tempat berdiri, atau gradien tegangan pada permukaan tanah yang bersentuhan dengan kedua kaki, dianggap menimbulkan bahaya bagi seseorang. Secara umum gradien tegangan yang timbul pada permuaan tanah selama mengalir arus gangguan tanah meliputi : tegangan sentuh, tegangan langkah dan tegangan pindah.

Tegangan Sentuh

Tegangan sentuh adalah beda potensial antara kenaikan potensial tanah dengan potensial pada suatu titik berjarak 1 meter pada permukaan tanah. Pada permukaan tanah ini seseorang berdiri sambil menyentuh suatu peralatan yang diketanahkan pada saat terjadi gangguan. Besarnya arus gangguan dibatasi oleh tahanan tubuh orang dan tahanan kontak ke tanah dari kaki orang tersebut. Gambar 4 menunjukkan salah satu kejadian yang menyebabkan timbulnya tegangan sentuh pada saat terjadi gangguan beserta rangkaian penggantinya.
Gambar 4 memperlihatkan seseorang yang berdiri dalam suatu switch yard sambil menyentuh peralatan yang ditanahkan. Jika Rb adalah tahanan tubuh orang, Rf adalah tahanan tanah tepat di bawah setiap kaki maka rangkaian ekivalen dari kejadian di atas dapat dinyatakan pada Gambar 5. Dengan beberapa asumsi dan perhitungan, diketahui besar tegangan sentuh yang terjadi seperti dalam Tabel 1.
Tegangan Langkah
Tegangan langkah adalah beda potensial pada permukaan tanah dari dua titik yang berjarak satu langkah (1 meter) yang dialami seseorang yang menghubungkan ke dua titik tersebut dengan kedua kakinya tanpa menyentuh suatu peralatan apapun. Adapun rangkaian kejadian dari tegangan langkah beserta rangkaian ekivalennya dapat dilihat pada Gambar 6.
Tegangan Pindah (transfered voltage)
Tegangan pindah (tegangan peralihan) merupakan hal khusus dari tegangan sentuh, yang terjadi bila pada saat terjadi gangguan seseorang berada dalam suatu switch yard dan menyentuh suatu peralatan yang ditanahkan pada tempat/titik yang jauh, dan alat tersebut dialiri arus gangguan ke tanah. Tegangan pindah ini akan sama dengan tegangan pada tahanan kontak pengetanahan total. Untuk waktu tertentu dari arus gangguan, tegangan pindah yang diizinkan adalah sama dengan tegangan sentuh.
II. Bahan/peralatan dan Metodologi Penelitian
Pada penelitian ini pengukuran tahanan jenis tanah dilakukan pada lokasi pembangunan gardu induk yaitu di Kabupaten Bulukumba. Untuk menunjang terlaksananya pengukuran tahanan jenis tanah diperlukan sejumlah bahan dan peralatan yaitu Elektroda, Voltmeter, Ampermeter, dan Aki 12 volt sebagai sumber tegangan.
ari hasil pembacaan kedua alat ukur, dihitung tahanan jenis tanah untuk tiap titik pengamatan. Cara lain untuk mengetahui tahanan jenis tanah yaitu dengan mengambil sampel tanah pada lokasi pentanahan gardu induk. Sampel tanah ini diuji di Laboratorium mekanika tanah untuk menentukan klasifikasi tanah berdasarkan ukuran butirannya.
III. Hasil dan Pembahasan
A. Data Penelitian
Data tahanan jenis tanah diperoleh dengan melakukan pengukuran pada lokasi gardu induk Bulukumba, dan data-data lainnya diperoleh pada Kantor PIKITRING Wilayah Sulawesi. Data-data tersebut adalah sebagai berikut :
Beda potensial tanah = 11,9 volt
Arus = 10 ampere
sehingga tahanan tanah R = 1,19 Ohm
Selanjutnya tahanan jenis tanah dihitung dengan menggunakan persamaan r = 2 p a R.
Besarnya tahanan jenis tanah di tempat itu adalah r = 15 Ohm.m.
Data selengkapnya seperti pada Tabel 2.
B. Perhitungan
Dengan menggunakan data-data di atas, maka tegangan sentuh dan panjang elektroda pentanahan sistem grid tak simerti dapat dihitung. Jarak antara konduktor paralel hasil perhitungan untuk sistem grid tak simetri dapat digambarkan Gambar 7.
Dengan menggunakan data-data seperti pada Tabel 2 maka tegangan sentuh untuk sistem grid simetri dan tak simetri adalah seperti Tabel 3.
Pembahasan
Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika panjang total konduktor pentanahan untuk sistem grid simetri semakin besar yang diikuti dengan perubahan jarak antara konduktor paralel yang semakin kecil, maka diperoleh tegangan sentuh yang semakin kecil. Hal ini juga terjadi bila digunakan sistem grid tak simetri yakni tegangan sentuh akan semakin kecil bila panjang total konduktor pentanahan yang digunakan menjadi semakin besar. Perbandingan antara kedua jenis pentanahan ini adalah sebagai berikut:
Dengan menggunakan sistem grid simetri, tegangan sentuh sebenarnya yaitu sebesar 588,17 volt telah memenuhi syarat, karena lebih kecil dari tegangan sentuh yang diizinkan yaitu 624 volt dengan panjang konduktor pentanahan yang digunakan sebesar 1755 meter. Untuk sistem grid tak simetri tegangan sentuh sebenarnya yang memenuhi syarat yaitu 585,3 volt bila digunakan elektroda pentanahan dengan panjang 1260 meter.
Dari kedua nilai tegangan sentuh yang memenuhi syarat maka dengan sistem grid tak simetri terjadi penghematan pengggunaan konduktor pentanahan. Oleh karena nilai tahanan jenis tanah pada suatu lokasi dan kedalaman tertentu adalah konstan, maka untuk memperbaiki karakteristik pentanahan yang harus disesuaikan adalah penggunaan elektroda pentanahan.

Kesimpulan dan Saran
Dengan menggunakan pentanahan sistem grid tak simetri tegangan sentuh yang memenuhi syarat, diperoleh sebesar 585,3 volt, bila panjang elektroda pentanahan yang digunakan sebesar 1260 meter. Untuk pentanahan sistem grid yang simetri, tegangan sentuh yang memenuhi syarat dicapai bila panjang konduktor pentanahan 1755 meter dengan tegangan sebesar 588,17 volt. Nilai tegangan sentuh ini akan semakin kecil bila konduktor pentanahan yang digunakan semakin besar. Dengan menggunakan sistem grid tak simetri diperoleh penghematan konduktor pentanahan dalam mereduksi tegangan sentuh sampai pada batas-batas yang masih memenuhi syarat keamanan sebesar 28,05 %.
Untuk penelitian selanjutnya disarankan agar dilakukan analisis dengan kedalaman penanaman dan ukuran elektroda pentanahan yang bervariasi.