Analisis Sistem Pentanahan Gardu Induk Bagan Batu Dengan Bentuk Konstruksi Grid (Kisi-Kisi) Abrar Tanjung Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik, Universitas Lancang Kuning E-mail :
[email protected]
Abstrak - Sistem pentanahan peralatan gardu induk menggunakan kisi (Grid) dan gabungan antara sistem pentanahan Grid dan Rod. Model sistem pentanahan sistem Grid-Rod paling sering digunakan untuk Gardu Induk Tegangan Tinggi 150 kV. Untuk pembangunan gardu induk yang baru dibutuhkan disain yang baru pula. Disain dilakukan dengan membuat kombinasi antara jumlah mesh dan rod-nya, 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. Sistem pentanahan pada Gardu Induk merupakan perlengkapan yang amat penting untuk menghindari bahaya-bahaya terhadap orang yang sedang berada didalam atau didaerah Gardu Induk tersebut. Ada beberapa metode dalam tugas akhir ini diuraikan, tetapi akhirnya dapat dipilih sesuai dengan kebutuhan ketelitian dalam perencanaannya. Perencanaan dan hasil analisa untuk Gardu Induk Bagan Batu untuk tegangan sentuh sebenarnya sebesar diperoleh sebesar 186,7 volt dan Tegangan langkah sebenarnya sebesar 209,6 volt, serta jumlah batang pentanahan sebanyak 51 batang dengan besar penampang konduktor sebesar 3,62 mm2
maksudnya tahanan yang aman bagi semua kondisi operasional baik berbentuk normal maupun tidak normal. Demi terciptanya bentuk tahanan yang aman seperti yang tersebut diatas maka diperlukan adanya pentanahan peralatan atau instalasi itu sendiri. Sistem pentanahan ini gunanya adalah untuk memperoleh potensial yang merata (uniform) dalam semua bagian struktur dan peralatan, dan juga untuk menjaga agar operator atau orang yang berada di daerah instalasi itu berada pada potensial yang sama dan tidak berbahaya dalam setiap waktu [4]. Tujuan penelitian ini adalah untuk merencanakan sistem pentanahan dalam bentuk kisikisi (grid) dan untuk mengetahui perbandingan besarnya tegangan sentuh yang ada dilapangan dengan tegangan sentuh yang diizinkan berdasarkan standar kelistrikan serta perbandingan tegangan langkah dilapangan dengan tegangan langkah yang diizinkan. 2. BAHAYA SENTUHAN-SENTUHAN LISTRIK Tubuh manusia merupakan penghantar, maka berlakunya hukum ohm keterangan besarnya arus yang lewat dalam tubuh manusia tergantung dari besarnya tegangan sentuh dan impedansi tubuh atau dapat ditulis sebagai berikut :
I
(1)
Keterangan : I = Arus kejut (Amp) E = Tegangan sentuh (Volt) Z = Impedensi Total Tubuh (Ohm)
Keyword : sistem pentanahan, gardu induk, tegangan sentuh, tegangan langkah 1.
E ........amper Z
PENDAHULUAN 3. PENGARUH BESARAN LISTRIK TERHADAP TUBUH MANUSIA
Pengaman dari pengguna tenaga listrik ini ada bermacam-macam dan salah satunya adalah dengan pentanahan peralatan, guna melindungi bahaya arus listrik terhadap manusia, peralatan dan bangunan. Pentanahan merupakan salah satu cara pengurangan pengaruh arus listrik yang dapat terjadi oleh beberapa macam penyebab, seperti terdapatnya arus bocor atau hubungan singkat akibat kegagalan isolasi dan bencana alam serta akibat adanya surja petir [2][3]. Pengetanahan peralatan merupakan bentuk untuk membatasi tegangan antara bagian alat-alat yang tidak dilalui arus dan antara bagian alat-alat ini dengan tanah sampai didapatnya suatu harga tertentu,
Dari penyelidikan diketahui bahwa tubuh manusia bersifat penghantar, yang mempunyai impendansi berkisar antara 500-100.000 ohm, oleh sebab itu bila terjadi kontak langsung salah satu bagian tubuh dengan bodi peralatan yang menjadi bertegangan karena kegagalan isolasi, maka akan ada arus yang mengalir pada tubuh [1]. 3.1 Arus Persepsi Pada Electrical Testing Laboratory New York tahun 1933 telah dilakukan pengujian terhadap 40
81
orang laki-laki dan perempuan, dan dapat arus ratarata yang disebut threshold of perception current sebagai berikut [7]: a. Untuk laki-laki : 1,1 mA b. Untuk perempuan: 0,7 mA
titik berjarak 1 meter, dengan asumsi bahwa objek yang disentuh dihubungkan dengan kisi-kisi pengetanahan yang berada dibawahnya. Besar arus gangguan dibatasi oleh tahanan kontak ketanah dari kaki orang tersebut [7]. Pada Gambar 1diperlihatkan tegangan sentuh dan rangkaian pengganti. Dari rangkaian pengganti dapat dilihat hubungan sebagai berikut : Es = (Rk + RF/2). Ik (3) Keterangan : Es = Tegangan sentuh (volt). Rf = Tahanan kontak ke tanah dari satu kaki pada tanah yang diberi lapisan koral 10 cm 9 = 3000 ohm) Ik = Besarnya arus yang melalui badan (dalam amper). Tahanan badan orang telah diselidiki oleh beberapa ahli dan sebagai harga pendekatan diambil Rk = 1000 ohm. Tahanan Rf mendekati harga 3 s keterangan s adalah tahanan jenis tanah disekitar permukaan. Dengan demikian tegangan sentuh menjadi :
3.2 Arus Mempengaruhi Otot Tegangan yang menyebabkan tingkat arus persepsi naik, maka orang akan merasa sakit dan kalau terus dinaikkan otot-otot akan kaku sehingga orang tersebut tidak berdaya lagi untuk melepaskan konduktor yang dipegangnya itu. Di University Of California Medical School telah dilakukan penyelidikan terhadap 134 orang laki-laki dan 28 orang perempuan dan diperoleh angka rata-rata dari arus yang dipengaruhi otot sebagai berikut: a. Untuk laki-laki : 16 mA b. Untuk Perempuan : 10,5 mA 3.3 Arus Reaksi Arus reaksi adalah arus terkecil yang dapat mengakibatkan orang menjadi terkejut, hal ini cukup berbahaya karena dapat mengakibatkan kecelakaan sampingan. Karena terkejut orang dapat jatuh dari tangga, melempar peralatan yang sedang dipegang yang dapat mengenai bagian-bagian instalasi bertegangan tinggi sehingga terjadi kecelakaan yang lebih fatal [7].
Es = (1000 + 3 s /2) 0,116/ t Keterangan : s = Tahanan jenis tanah disekitar permukaan tanah (ohm-meter) = 3000 ohm-meter untuk permukaan tanah yang dilapisi koral 10 cm. T = Waktu kejut (detik) atau lama gangguan tanah. 3.6 Tegangan Langkah Tegangan langkah adalah tegangan yang timbul diantara dua kaki orang yang sedang berdiri diatas tanah yang sedang dialiri oleh arus kesalahan ketanah. Dalam hal ini dimisalkan jarak antara kedua kaki orang adalah 1 meter dan diameter kaki dimisalkan 8 cm dalam keadaan tidak memakai sepatu. Pada gambar 2 diperlihatkan tegangan langkah yang dekat dengan peralatan yang diketanahkan [7].
3.4 Arus Fibrilasi Apabila yang melewati tubuh manusia lebih besar dari arus yang berpengaruh otot dapat mengakibatkan orang menjadi pingsan bahkan sampai mati. Hal ini disebabkan arus listrik tersebut mempengaruhi jantung yang disebut ventricular Febrilation yang menyebabkan jantung berhenti bekerja dan peredaran darah tidak jalan sehingga segera akan mati [7]. Percobaan Daziel menyatakan bahwa 99,5% dari semua orang yang beratnya lebih kurang 50 kg masih dapat bertahan terhadap arus listrik dan waktu yang ditentukan oleh persamaan sebagai berikut:
Ik 2 .t k
atau Ik
k
(2)
t Maka k80 k70 Jadi :
: = 0,116 Amper. = 0,157 Amper. Ik2 . t = 0,0135 untuk berat badan 50 kg
Dan
:
Ik
=
0,116 t
Keterangan : Ik = Besar arus lewat tubuh manusia (A) t = Waktu arus lewat tubuh manusia atau lama gangguan tanah (detik)
Gambar 1. Tegangan sentuh dan rangkaian pengganti
Dengan menggunakan rangkaian pengganti dapat ditentukan tegangan langkah sebagai berikut : E1 = ( Rk + 2 Rf ). Ik (4) =
3.5 Tegangan Sentuh Tegangan sentuh adalah tegangan yang terdapat diantara suatu objek yang disentuh dan satu
( 1000 + 6
82
s)
x 0,116/ t
E1 =
116 0,696.
s
t
Keterangan : E1 = Tegangan langkah (Volt) Rk = Tahanan badan (orang ohm) = 1000 ohm. Rf = Tahanan kontak ketanah dari satu kaki (dalam ohm) = 3 s t = Waktu kejut (dalam detik) s = tahanan jenis tanah Pada tabel 1 ditunjukkan tegangan senntuh yang diizinkan dan lamanya gangguan sedangkan pada tabel 2 ditunjukkan teganga langkah yang diizinkan dan lamanya gangguan.
Gambar 2. Tegangan langkah dekat peralatan yang diketanahkan
Tabel 1. Tegangan Sentuh yang Diizinkan dan Lama Gangguan
Lama Gangguan (t, detik) 0,1
Tegangan Sentuh yang Diizinkan (Volt) 1.980
0,2
1.400
0,3
1.140
0,4
990
0,5
890
1,0
626
2,0
443
3,0
362
4. IMPEDANSI TUBUH MANUSIA Tubuh manusia terdiri dari unsur-unsur air, garam, mineral dan lain-lain yang dalam keseluruhan merupakan impedansi tubuh yang mempunyai nilai antara 500 sampai 10000 ohm, keterangan nilai tertinggi adalah kulit ari (zat tanduk) dan nilai terrendah adalah daging dan bagian tubuh lainnya (misalnya jantung dan lain-lain), disebabkan karena sifat selnya dan keadaannya yang selalu basah. Pada tegangan dibawah 240 Volt, kulit arilah yang merupakan faktor utama dalam membatasi besarnya arus pada sentuhan dengan penghantar bertegangan [6]. Adapun Pengaruh Keadaan Tubuh Terhadap Impedansi: a. Keadaan Otot Keadaan yang atletis berarti banyak otot-ototnya yang berarti sel tubuhnya padat dan merupakan penghantar yang baik (impedensinya rendah). Pada umumnya otot pria lebih banyak dari pada wanita dan berarti impedensi tubuh pria lebih rendah dari wanita. b. Kelembaban kulit karena keringat atau basah oleh air menyebabkan nilai impedansi sangat menurun. c. Berat badan yang besar atau orang gemuk mempunyai permukaan yang besar dan kepadatan sel yang tinggi yang berarti impedansi rendah.
Tabel 2. Tegangan Langkah yang Diizinkan dan Lama Gangguan
Lama Gangguan (t, detik) 0,1
Tegangan Langkah yang Diizinkan (Volt) 7,000
0,2
4,950
0,3
4,040
0,4
3,500
0,5
3,140
1,0
2,216
2,0
1,560
3,0
1,280
5. ANALISIS PENTANAHAN GARDU INDUK BAGAN BATU PT. PLN (PERSERO) CABANG DUMAI DENGAN MENGGUNAKAN SISTEM KISI-KISI (GRID) Luas darah disekitar switch yard 150 KV untuk perluasan Gardu Induk Bagan Batu adalah 100 m x 95 m dengan letak peralatan seperti dalam gambar 3. Dengan memperhatikan luas dan situasi letak peralatan pada Gardu Induk, maka dapat diperkirakan susunan pentanahan grid yang akan dipasangkan. Arus hubungan singkat ketanah diketahui untuk
83
menentukan besarnya arus maksimum yang mungkin mengalir dalam tanah akibat terjadinya hubungan singkat ketanah [5]. Perencanaan sistem pentanahan pada gardu induk didasarkan pada standar “IEEE 80”, dengan ukuran/langkah-langkah sebagai berikut: a. Pemeriksaan tahanan jenis tanah. b. Perencanaan pendahuluan tata letak (layout). c. Perhitungan arus fibrilasi. d. Menghitung jumlah batang pentanahan yang diperlukan e. Menghitung tegangan sentuh yang diizinkan. f. Menghitung tegangan sentuh maksimum sebenarnya. g. Menghitung tegangan langkah yang di izinkan. h. Menghitung tegangan langkah maksimum sebenarnya.
Bila harga-harga tersebut dimasukkan pada persamaan diatas maka : Ik = 0,134 Amper c. Tata Letak (Layout) Kisi-kisi (grid) pentanahan menggunakan konduktor tembaga bulat yang ditanam pada seluruh batas gardu induk. Pengaturan tata letak sistem pentanahan pada suatu gardu induk dapat dilihat pada gambar berikut ini. Pada gambar tersebut diberikan panjang konduktor termasuk batang pentanahan = 1600 meter. d.Jumlah Batang Pentanahan Yang Diperlukan. Pada waktu arus gangguan mengalir antara batang pentanahan dan tanah akan menjadi panas akibat arus I2. Suhu tanah harus tetap dibawah 100 c, untuk menjaga jangan sampai terjadi penguapan air kandungan dalam tanah dan kenaikan tahanan jenis. Seluruh panjang batang pentanahan yang diperlukan dihitung dari pembagian arus gangguan ketanah dengan kerapatan arus yang diizinkan, sedangkan jumlah batang pentanahan yang di tanahkan diperlukan dari pembagian panjang satu batang. Jadi bila besar arus gangguan ketanah (3500) amper maka jumlah batang pentanahan minimum dengan panjang (3,5 meter):
a. Tahanan Jenis Tanah Tahanan jenis tanah nilai tahanannya dapat diperoleh dari kondisi dan jenis tanah yang ada disekitar garud induk. Pengukuran tahanan jenis tanah pada lokasi gardu induk diambil pada berapa lokasi pada areal, untuk menghitung tahanan jenis tanah dapat dihitung dengan mengunakan persamaan berikut : = 2. . aR (5) Keterangan : = Tahanan jenis rata-rata tanah. a = Jarak antara batang elektroda yang dekat R = Besar Tahanan yang terukur. Pengukuran dilokasi gardu induk tersebut diperoleh besar tahanan jenis tanah rata-rata : = 100 ohm-m
3500 = 51 Batang 3,5 x105 x 0,19 e. Perhitungan Tegangan Sentuh Yang Diizinkan Tegangan sentuh yang yang diizinkan dapat dihitung dengan memasukkan data-data sebagai berikut : Ik = 0.134 A Rk = Tahanan Badan Manusia = 1000 Ohm/meter. = 100 ohm-m s Em = Tegangan Mesh Km = 0,375 Ki = Faktor koreksi untuk ketidak merataan kerapatan arus yang didapat dari hasil percobaan adalah sebagai berikut : Ki = 3,410 L = Adalah total panjang konduktor yang ditanam = 3 meter I = Besar arus gangguan = 3500 A Maka didapat tegangan sentuh yang diizinkan Es = (Rk + Rf/2) Ik (7) = (1000 + 300/2)0,134 = 154,1 Volt
b. Arus Fibrilasi Besarnya arus fibrilasi yang mengalir pada tubuh manusia keterangan arus listrik dapat menyebabkan jantung mulai fibrilasi dapat dihitung berdasarkan persamaan dibawah ini : K50 = 0,116 amper Ik =
0,116
(6)
t
Keterangan : Ik = Arus fibrilasi (Amp) t = Lama waktu gangguan (detik) = 0,75 detik. Lama waktu gangguan tergantung dari berapa faktor, antara lain statilitas, tipe switchyard dan tipe relay dan pemutusan daya yang digunakan. Sebegitu jauh belum ada standard mengenai lama waktu gangguan. Waktu yang dianggap realistis berkisar antara 0,5 detik sampai 1,0 detik. Pengambilan waktu 0,75 detik dianggap sudah memenuhi persyaratan dan cukup realistis.
f.Perhitungan Tegangan Sentuh Maksimum Sebenarnya Berdasarkan luas daerah pentanahan dan situasi letak peralatan yang kira-kira perlu ditanahkan, maka kita dapat tentukan ukuran dan bentuk sistem pentanahan grid yang akan kita pasangkan.
84
Rumus yang dipakai
Em
Km, Ki. .
6. KESIMPULAN
I L
(8)
Dari hasil perhitungan sistem pentanahan untuk perencanaan pentanahan grid perluasan switchyard 150 kV Gardu Induk Bagan Batu adalah sebagai berikut : a. Jumlah batang pentahanan dipasang sebanyak 51 batang dengan diameter konduktor sebesar 3,62 mm2. b. Tegangan sentuh sebenarnya diperoleh sebesar 186,7 volt, yang berarti bahwa tegangan sentuh sebenarnya diatas tegangan sentuh yang diizinkan sebesar 154, 1 volt. Hasil perhitungan dan analisa tegangan sentuh masih belum berbahaya bagi manusia berdasarkan tabel 1. c. Tegangan langkah sebenarnya sebesar 209,6 volt, hal ini berarti tegangan langkah sebenarnya masih dibawah standar tegangan langkah diizinkan sebesar 214,4 volt. Hasil perhitungan dan analisa tegangan langkah masih belum berbahaya bagi manusia berdasarkan tabel 2. d. Berdasarkan hasil analisa dan pembahasan tegangan sentuh dan tegangan langkah dilapangan dibawah standar tegangan sentuh dan tegangan langkah yang diizinkan pada tabel 2 serta masih belum membahayakan manusia.
= 0,375 x 3,410 x 100 x 3500/2400 = 186,7 volt g. Perhitungan Tegangan Langkah yang Dizinkan Tegangan langkah yang yang diizinkan dapat dihitung dengan memasukkan data-data sebagai berikut : Ik = 0.134 A Rk = Tahanan Badan Manusia = 1000 Ohm/meter. s = Tahanan jenis permukaan tanah yang dilapisi batu kerikil keterangan orang berdiri = 3000 Ohm-meter. Ks = 0,421 Maka didapat tegangan langkah yang diizinkan EL = (Rk + 2 x Rf) Ik (9) = (1000 + 2 x 300)0,134 = 214,4 Volt Berdasarkan hasil perhitungan dapat disusun tata letak atau layout dari pentanahan yang ditunjukkan pada gambar 3. 80 M
5 - 10 M
DAFTAR PUSTAKA [1] Artono Arismunandar, DR.M.A.Sc, Teknik Tenaga Listrik, Pradnya Paramita, Jakarta, 1997. [2] Baldev Thapar, etc, Ground Resistance Of The Foot In Substation Yard, IEEE, Transactions on Power Delivery, Vol 8 no. 1, Januari, 1993 [3] Baldev Thapar, etc, Effectif Ground Resistenace of Human Feet in High Volatage Switchyards, IEEE, Transactions on Power Delivery, Vol 8 no. 1, Januari, 1993 [4] Y.L. Chow, M.M.A, Salama, A Simplified Methode For Calculating The Substation Grounding Grid Resistance, IEEE, Transactions on Power Delivery, Vol 9 no. 2, April, 1994 [5] PT. PLN (Persero) Sektor Pekanbaru, Gardu Induk Bagan Batu. [6] Suryatmo.F, Teknik Listrik Instalasi Gaya , Tarsito, Bandung, 1990. [7] TS. Hutauruk.Ir.MSc, Pengetanahan Netral Sistem Tenaga, Erlangga, Jakarta, 1999
Gambar 3. Tata Letak Pentanahan
h.Perhitungan Tegangan Langkah Maksimum Sebenarnya Tegangan langkah adalah perbedaan tagangan yang terjadi diantara kedua kaki manusia berjalan diatas sistem dihitung dengan rumus :
Elm
Ks , Ki. .
I L
(9)
= 0,421 x 3,410 x 100 x 3500/2400 = 209,6 volt
85
