EVALUASI SISTEM PEMBUMIAN GARDU INDUK BELAWAN

Transkripsi

1 Laporan Penelitian EVALUASI SISTEM PEMBUMIAN GARDU INDUK BELAWAN Oleh : Ir. Leonardus Siregar, MT Dosen Tetap Fakultas Teknik LEMBAGA PENELITIAN UNIVERSITAS HKABP NOMMENSEN MEDAN 2012

2 1

3 EVALUASI SISTEM PEMBUMIAN GARDU INDUK BELAWAN RINGKASAN Sebelum membangun gardu induk, banyak hal yang perlu diperhatikan mengingat gangguan yang terjadi dapat merusak peralatan yang ada maupun orang yang berada dalam gardu induk tersebut. Untuk menghindari bahaya tersebut, maka sangat dibutuhkan suatu sistem pembumian yang memenuhi persyaratan. Salah satu parameter untuk menentukan perencanaan sistem pembumian gardu induk adalah mengetahui besarnya tahanan jenis tanah di sekitar gardu induk. Untuk mengevaluasi gardu induk perlu dilakukan pengukuran dari tahanan jenis tanah pada saat sekarang. Kemudian dilakukan perhitungan dari parameter-parameter yang lain. Hasil perhitungan dari sistem pembumian gardu induk yang diperoleh pada saat ini, akan dibandingkan dengan hasil perhitungan dari sistem pembumian gardu induk yang sebenarnya. Dari hasil perhitungan, dapat disimpukan bahwa sistem pembumian gardu induk Belawan masih dapat dipertahankan, dengan kata lain masih belum diperlukan perubahan atau pergantian. 1. PENDAHULUAN Sistem pembumian sangat dibutuhkan untuk melindungi sistem dari gangguan hubungan singkat ke tanah dan pada saat terjadi pemutusan oleh circuit breaker. Bunga api yang timbul karena terjadi gangguan atau pada waktu circuit breaker bekerja melakukan pemutusan, diharapkan dapat padam sendiri, sebab nasalah ini dapat merusak peralatan-peralatan dan juga membahayakan keselamatan manusia. Salah satu bagian dari sistem tenaga listrik yang mempunyai peranan yang sangat penting adalah gardu induk. Sebelum membangun gardu induk, banyak hal yang perlu diperhatikan mengingat gangguan yang terjadi dapat 2

4 merusak peralatan yang ada maupun orang yang berada dalam gardu induk tersebut. Untuk menghindari bahaya tersebut, maka sangat dibutuhkan suatu sistem pembumian yang memenuhi persyaratan. Salah satu persyaratan untuk menentukan perencanaan sistem pembumian gardu induk adalah mengetahui besarnya tahanan jenis tanah di sekitar gardu induk. Hal inilah yang menjadi topik pembahasan dari isi tulisan ini, yaitu tentang evaluasi pembumian dari gardu induk aplikasi gardu induk Belawan, di mana besarnya tahanan jenis tanah yang diperoleh pada perhitungan sistem pembumian gardu induk pada saat ini, akan dibandingkan dengan sistem pembumian gardu induk sebenarnya. Tujuan dari dari peneltian ini adalah untuk mengetahui sistem pembumian dari gardu induk belawan, apakah masih memenuhi persyaratan yang diizinkan atau tidak. Dengan menghitung besarnya tegangan-tegangan yang berbahaya akibat timbulnya beda potensial tanah pada saat terjadi gangguan, dengan memperhatikan pengaruh dari jumlah konduktor paralel pada kisi-kisi utama (n), jarak antara elektroda (D), diameter konduktor (d), kedalaman penanaman konduktor (h), tahanan jenis permukaan tanah ( ρ s ) yang telah dilapisi batu koral dan serta lamanya waktu gangguan (t). 2. PERUMUSAN MASALAH Tahanan Jenis Tanah Tahanan jenis tanah suatu daerah diberbagai tempat tidaklah sama, tergantung dari beberapa faktor yaitu: jenis tanah, lapisan tanah, kelembaban tanah dan temperatur. Adapun kesulitan yang biasanya dijumpai pada saat pengukuran jenis tanah adalah bahwa dalam kenyataannya komposisi tanah tidak sama, sehingga pada suatu lapisan tanah mungkin terdapat dua atau lebih jenis tanah dengan tahanan jenis yang berbeda. Sering dicoba untuk mengubah komposisi kimia tanah dengan memberikan garam ke tanah dekat elektroda pembumian, dengan maksud mendapatkan tahanan jenis tanah yang rendah. Cara ini hanya baik untuk sementara saja, sebab proses penggaraman harus dilakukan secara periodik sedikitnya enam bulan sekali. 3

5 Dengan memberikan air atau dengan membasai tanah yang akan diukur juga dapat mengubah tahanan jenis tanah. Untuk mendapatkan tahanan jenis tanah rata-rata untuk keperluan perencanaan maka diperlukan penelitian atau pengukuran dalam jangka waktu tertentu misalnya dalam jangka waktu satu tahun. Biasanya tahanan jenis tanah juga tergantung pada tingginya permukaan tanah dari permukaan air yang konstan. Untuk mengurangi variasi tahanan jenis tanah akibat pengaruh musim, pembumian dapat dilakukan dengan menanamkan elektroda pembumian hingga mencapai tempat dimana terdapat air tanah yang konstan. Pada sistem pembumian batang elektoda tidak perlu ditanam lebih dalam, karena variasi harga tahanan jenis tanah sangat besar akibat kelembaban dan temperature bervariasi, maka harga tahanan jenis tanah harus diambil untuk keadaan yang paling buruk yaitu tanah kering dan dingin. Biasanya harga tahanan jenis tanah yang diambil adalah harga tahanan jenis tanah yang tertinggi, maka berdasarkan harga tahanan jenis tanah ini dibuatkan suatu perencanaan pembumian. Jadi pada suatu sistem perencanaan, pengukuran tahanan jenis tanah harus dilakukan terlebih dahulu pada tempat dimana akan didirikan gardu induk. Untuk tujuan mengevaluasi pembumian Gardu induk. Belawan dilakukan pengukuaran tahanan jenis tanah di lokasi gardu induk dengan metode 4 titik. Pengkuran tahanan jenis tanah dengan metode empat titik menggunakan empat batang elektroda, sebuah batere, sebuah amperemeter dan sebuah voltmeter yang sensitif, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1. V A Elektroda a a a Lapisan tanah Gambar 2.1 Pengukuran Tahanan Jenis Tanah Dengan Metode Empat Elektroda Dari gambar di atas dapat ditentukan bahwa harga tahanan elektroda 3 dan 4 adalah 4

6 R = (1) Jadi tahanan jenis tanah diperoleh dengan rumus : dimana: ρ = 2πaR (2) a = jarak antara elektroda (meter) R 34 = tahanan antara elektroda 3 dan 4 (Ohm) ρ = tahanan jenis tanah (W-m) 2.3. Bahaya-Bahaya Yang Timbul Pada Saat Gangguan Tanah Secara umum bahaya-bahaya yang mungkin dapat ditimbulkan oleh tegangan maupun arus listrik yang mengalir terhadap manusia mulai dari ringan sampai yang paling berat yaitu: terkejut, pingsan atau mati, yang meliputi: 1. Tegangan dan kondisi orang terhadap tegangan tersebut. 2. Besarnya arus yang melewati tubuh manusia 3. Jenis arus, searah atau bolak-balik. Pada sistem tegangan tinggi sering terjadi kecelakaan terhadap manusia dalam hal ini terjadi kontak langsung atau dalam hal manusia berada dalam suatu daerah yang mempunyai gradient tegangan yang tinggi. Perlu jelaskan bahwa yang menyebabkan bahaya terhadap tubuh manusia adalah besarnya arus yang mengalir dalam tubuh manusia. Pada gardu-gardu induk kemungkinan terjadi bahaya terutama disebabkan oleh timbulnya gangguan arus yang mengalir ke tanah. Arus gangguan ini akan mengalir pada bagian-bagian peralatan yang terbuat dari metal dan juga mengalir dalam tanah di sekitar gardu induk. Arus gangguan tersebut menyebabkan gradien tegangan di antara peralatan dengan peralatan, peralatan dengan tanah dan juga tegangan dipermukaan tanah itu sendiri. Dengan demikian maka dapat disimpulkan bahwa tegangan akan berbahaya apabila sentuhan dengan tegangan yang menyebabkan mengalirnya arus listrik yang cukup besar di dalam tubuh. Ada tiga jenis tegangan yang dapat menyebabkan terjadinya arus yang mengalir ke tubuh manusia, yaitu: 1. tegangan sentuh (touch voltage) 5

7 2. tegangan langkah (step voltage) 3. tegangan pindah (transfer voltage) Tegangan Sentuh Tegangan sentuh adalah tegangan yang terdapat antara suatu objek yang disentuh dalam suatu titik berjarak 1 (satu) meter, dengan asumsi bahwa objek yang disentuh dihubungkan dengan kisi-kisi pentanahan yang berada dibawahnya, dimana besar arus gangguan dibatasi oleh tahanan orang dan tahanan kontak ke tanah dari kaki orang tersebut. Hal ini dapat dilihat pada gambar 2.8. Dari gambar 2.8. dapat diperoleh hubungan sebagai berikut: dimana : E s = R + I k (3) E s = tegangan sentuh (volt) R t = tahanan tubuh manusia (1000 ohm) R k = tahanan kontak ke tanah (R k = 3ρ ) I k = besarnya arus yang melalui badan manusia (Ampere) T = waktu kejut atau lama gangguan tanah (detik) = merupakan tahanan jenis permukaan tanah yang dilapisi koral setebal 10 cm = 3000 Ohm-meter Dengan menggantikan R k = 3ρ maka besarnya tegangan sentuh menjadi: Tegangan Langkah E s = R + ρ I k (4) Tegangan langkah adalah tegangan yang timbul diantara dua kaki manusia yang berdiri di atas permukaan tanah yang sedang dialiri oleh arus kesalahan tanah, di mana panjang langkah diasumsikan 1 meter sedangkan besar kecilnya tegangan langkah berbanding langsung dengan panjang langkah antara dua kaki. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 2.9 berikut ini: dimana: E l = (R t +2R k )I k (5) 6

8 E l = tegangan langkah (volt) R t = tahanan badan manusia (1000 Ohm) R k = tahanan kontak dari suatu kaki = 3 = arus gangguan tanah (Ampere) I k (Ohm) Dengan demikian besarnya tegangan langkah menjadi: E l = (R t +6ρ )I k (6) Tegangan Pindah E pindah = I. R o (7) Dengan anggapan I k << I sebab + R R dan R = ρ + ρ dan r = π denan : I = arus gangguan (ampere) I k = arus yang melalui badan (ampere) r = jari-jari ekivalen deri luas gardu induk (meter) L = panjang total dari konduktor (meter) A = luas areal pembumian (m 2 ) R o = tahanan pembumian (ohm) = tahanan jenis rata-rata tanah (ohm-meter) Dengan memperhatikan kondisi di atas maka terlihat bahwa arus gangguan total I terbagi menjadi dua, dimana arus I k akan melewati badan, dan sisanya sebesar I - I k akan langsung menuju ke tanah. Karenan besarnya Arus I adalah dalam orde ratusan sampai ribuan ampere, sedangkan arus I k hanya dalam orde miliampere, maka arus I k dapat diabaikan terhadap harus I. Dengan demikian maka dapat dianggap bahwa tegangan antara peralatan dengan tanah sebelum dan sesudah dipegang dapat dikatakan sama Tegangan Mesh 7

9 Tegangan mesh merupakan salah satu bentuk tegangan sentuh. Tegangan mesh didefenisikan sebagai tegangan peralatan yang di ketanahkan terhadap tengah-tengah daerah yang dibentuk 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 pembumian gardu induk. Dan inilah yang diambil sebagai tegangan untuk desain yang sama. Tegangan mesh ini secara pendekatan sama dengan I, dimana merupakan tahanan jenis tanah dalam ohm meter dan I adalah arus yang melalui konduktor kisi-kisi. Oleh karena itu untuk mencakup pengaruh-pengaruh jumlah konduktor paralel (n), jarak -jarak konduktor paralel (D), diameter konduktor (d), dan ke dalam penanaman (h), maka tegangan mesh dapat dihitung dengan persamaan: dimana : dimana : k m = + ( ) ( ) k i D h d n I L E ms = k m k i (8) = faktor koreksi untuk ketidakmerataan kerapatan arus yang dihitung dengan rumus empiris = 0,65 + 0,172 n = jarak antara konduktor-konduktor paralel pada kisi-kisi (m) = kedalaman penanaman konduktor (n) = diameter konduktor kisi-kisi (m) = jumlah konduktor paralel dalam kisi-kisi utama, tidak termasuk sambungan melintang = besar gangguan tanah (ampere) = tahanan jenis rata-rata tanah (ohm-meter) = panjang konduktor pentanahan yang ditanam, termasuk semua batang pertanahan (m) Tegangan Langkah Maksimum Sebenarnya Tegangan langkah sebenarnya adalah perbedaan tegangan yang terdapat diantara kedua kaki, bila manusia berjalan diatas permukaan tanah dari sistem pertanahan pada keadaan terjadi gangguan. Tegangan langkah maksimum sebenarnya dapat dihitung dengan persamaan: 8

10 E l = k s k i (9) dan dimana : K s = ( ) H D k i I m L = tahanan jenis rata-rata tanah (ohm-meter) = kedalaman penanaman konduktor (n) = jarak antara konduktor-konduktor pembumian (meter) = 0,65 + 0,172 n = arus gangguan tanah maksimum (ampere) = panjang konduktor pembumian yang ditanam, termasuk semua batang elektroda pembumian (m) 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Data Pengukuran Pengukuran tahanan jenis tanah yang dilakukan disekitar gardu induk tersebut menggunakan metode empat titik dengan jarak masing-masing elektroda 3,5 m dan dilakukan sebanyak 10 kali pada tempat yang berbeda di areal gardu induk Belawan. Kemudian diambil nilai rata-rata dari hasil pengukuran arus dan tegangan. Adapun hasil pengukuran tegangan dan arus dapat dilihat pada tabel 3.1. Tabel 3.1. Data Hasil Pengukuran Jenis Tanah Pada Gardu Induk Belawan Titik yang Jarak atara Arus (A) Tegangan (V) diukur elektroda 1. 3,5 Meter 0,20 0, ,5 Meter 0,26 0, ,5 Meter 0,20 0, ,5 Meter 0,17 0, ,5 Meter 0,24 0, ,5 Meter 0,11 0, ,5 Meter 0,18 0,23 9

11 8. 3,5 Meter 0,26 0, ,5 Meter 0,11 0, ,5 Meter 0,18 0,23 Dari hasil pengukuran di atas dapat diperoleh harga dari arus rata-rata dan tegangan rata-rata sebagai berikut: I = V = 0,20 + 0,26 + 0,20 + 0,17 + 0,24 + 0,11 + 0,18 + 0,26 + 0,11 + 0,18 10 = 0,191 Ampere = 0,231 Volt 0,25 + 0,28 + 0,23 + 0,21 + 0,25 + 0,18 + 0,23 + 0,28 + 0,17 + 0,23 10 Substitusi harga arus rata-rata dan tegangan rata-rata arus tersebut ke persamaan (1) untuk mendapatkan harga tahanan tanah sebagai berikut: R = =,, = 1,209 Kemudian substitusikan harga R 34 ke persamaan ( 2) dengan jarak Elektroda a = 3,5 m untuk mendapatkan harga tahanan jenis tanah sebagai berikut: ρ = R x 2πa = 1,209 x 2 x 3,14 x 3,5 = 26,573 -m Dari hasil pengukuran tegangan dan arus terhadap tanah di sekitar gardu induk Belawan dengan jenis tanah adalah tanah pasir, jarak antara elektroda adalah 3,5 kedalama penanaman elektroda 0,7 m serta diameter 3,01 mm diperoleh harga tahanan jenis tanah sebesar 26,576 -m Tata Letak (Lay Out) Sistem pembumian yang dipakai pada gardu induk Belawan adalah sistem grid (kisi -kisi) dengan menggunakan konduktor tembaga yang ditanam pada 10

12 seluruh areal gardu induk Belawan, dimana kisi-kisi pembumian dihubungkan dengan peralatan yang satu dengan peralatan lainnya. Data sistem pembumian gardu induk Belawan adalah sebagai berikut: 1. Panjang = 230 meter 2. Lebar = 100 meter 3. Luas = meter 2 4. Elektroda yang digunakan a. Jenis = tembaga (Cu) b. Panjang batang elektroda = 2,80 meter c. Diameter konduktor kisi-kisi (d) = 0,015 meter d. Jarak antara konduktor-konduktor parallel (D) = 12 meter e. Kedalaman penanaman konduktor (h) = 1 meter 5. Jumlah konduktor kisi-kisi melintang: 12 x 100 = 1200 meter 6. Jumlah konduktor kisi-kisi melintang: 8 x 230 = 1840 meter 7. Panjang batang-batang pembumian: 96 x 2,80 = 269 meter 8. Panjang konduktor keseluruhan (L) = 3309 meter 9. Jumlah konduktor parallel pada isi utama(n) =12 buah Adapun gambar sistem pembumian pada gardu induk Belawan dengan bentuk kisi-kisi (grid) dapat dilihat pada gambar Perhitungan Komponen Pembumian Berdasarkan hasil pengukuran tahanan jenis tanah dan data gardu induk Belawan dapa dihitung parameter-parameter sebagai pertimbangan evaluasi. 1. Tahanan Jenis Tanah Berdasarkan data PLN jenis tanah di areal gardu induk Belawan adalah jenis tanah ladang yang lembab dengan permukaan tanah yang dilapisi batu koral setebal 10 cm. Adapun harga jenis tanahnya adalah sebagai berikut: 1. Tahanan jenis tanah rata- rata = 24,576 Ω -m 2. Tahanan jenis permukaan tanah =3000 Ω -m 11

13 2. Arus Gangguan Besar arus gangguan yang terjadi pada gardu induk Belawan 150 KV adalah sebesar 3000 Ampere. 3. Jumlah Batang Pembumian yang Diperlukan batang adalah Dengan data di atas maka kerapatan arus yang diizinkan pada permukaan i = 3,1414 x 10-5 d δ.θ ρ. = 3,1414 x ,, = 3,1414 x ,, = 3,1414 x , = 1,181 Amp/m 2 Untuk mengetahui jumlah batang pembumian minimum yang akan dipakai dapat dihitung dari persamaan (3.2) sebagai berikut: Jumlah barang yang diperlukan = =,, = 11 batang 4. Arus Fibrilasi Untuk menghitung besar arus fibrilasi dapat diperoleh dengan persamaan sebagai berikut: I = 0,116 t Jika waktu kejut atau lama gangguan t = 0,75 detik, maka I =, =,, = 0,134 Amper 12

14 5. Tegangan Sentuh yang Diizinkan (E s ) Dengan menggunakan persamaan ( 3) maka tegangan sentuh (E s ) yang diizinkan adalah sebagai berikut: E s = + = ( (1,5 x 3000) x 0,134) = 737 Volt 6. Tegangan Mesh atau Tegangan Sentuh Maksimum Sebenarnya (E ms ) Besar tegangan mesh atau tegangan sentuh dapat dicari dengan persamaan (7) sebagai berikut: E = k k ρ dimana : Untuk n =12 k = 1 2xπ In D 16. h. d + 1 3,14 In 3 4 x 5 6 x 7 8 x 9 2(n 2 + 1) x x 10 2(n 2) + 2 = 1 2 3,14 1 3, = 0,159 In, + 0,318 (,, = 0,159 x 4, ,318 x (-1,089) = 0, , = 0, ) Jadi = 0,65 + 0,172 = 0,65 + 0,172 x 12 = 2,714 E = k k ρ = 0,34644x2,714x30x = 25,55 Volt 7. Tegangan Langkah yang Diizinkan (E l ) 13

15 Dari persamaan ( 5), maka diperoleh besar tegangan langkah yang diizinkan sebagai berikut: E l = R + 6ρ I = ( (6 x 3000)x 0,134 = 2546 Volt 8. Tegangan Langkah Maksimum yang sebenarnya (E ls ) Dari persamaan ( 8), maka diperoleh besar tegangan langkah maksimum sebenarnya adalah sebagai berikut: dimana: k = 1 π E ls = k s k i Karena n = 12, maka ; 1 2h + 1 D + h + 1 2D + 1 3D (n 1)D k s = 0,318 x(0,5+0,077+0,042+0,028+0,02+0,017+0,014+0,012+0,010+9,26x ,57x10-3 ) = 0,318 x 0, = 0,237 maka: E ls = k s k i ρ = 0,237 x 2,714 x = 0,582 Volt 9. Tegangan Pindah (E p ) Besar tegangan pindah dapat diperoleh dari persamaan ( 6) sebagai berikut: E pindah = I x R o dengan R o = + 14

16 dan r = = π π =, sehingga : = 85,95 meter R o = + Jadi: =, + = 0, = 0,096 Ω E pindah = I x R o = 3000 x 0,096 = 288 volt Dari hasi perhitungan di atas maka dapat dibuat tabel perhitungan sebagai berikut. No. Spesifikasi Satuan Hasil 1 Tahanan jenis permukaan tanah ( s) Ω-m Tahanan jenis rata-rata tanah ( ) Ω-m 30 3 Jumlah konduktor paralel pada kisi-kisi utama(n) Koefisien k m - 0, Koefisien k i - 2,714 6 Koefisien k s - 0,237 7 Panjang Konduktor keseluruhan (L) Meter Tegangan Sentuh yang diizinkan (E s ) Volt Tegangan Mesh sebenarnya (E ms ) Volt 29,98 10 Tegangan Langkah yang dizinkan (E 1 ) Volt

17 11 Tegangan Langkah Maksimum sebenarnya (E ls ) Volt 23,33 12 Tegangan Pindah (E p ) Volt Tahanan Pembumian (R o ) Ohm 0,129 Dengan demikian maka kondisi pembumian dari Gardu Induk belawan dapat dievaluasi dengan membuat perbandingan antara nilai dari hasil perhitungan dan nilai yang diizinkan, sperti ditunjukkan pada tabel berikut. Hasil Perhitungan diizinkan Jenis (Volt) (Volt) Tegangan Langkah Tegangan Sentuh Tegangan Pindah KESIMPULAN Dari hasil perhitungan yang dilakukan pada sistem pembumian gardu induk Belawan, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Hasil pengkuran di lapangan diperoleh tahanan jenis tanah rata-rata ( ) adalah 27,035 ohm-meter masi lehi kecil dari 40 ohm-meter. Maka jenis tanah pada gardu induk Belawan masih tetap dikategorikan sebagai tanah rawa 2. Berdasarkan hasil perhitungan untuk tegangan sentuh dan tegangan langkah masih dibawah harga yang diizinkan atau harga standar, Ini menunjukkan bahwa pemilihan jarak kisi-kisi dan panjang konduktor keseluruhan sudah memenuhi persyaratan dalam merencanakan suatu sistem pembumian gardu induk Belawan tersebut. 3. Harga tahanan pembumian (R o ) yang diperoleh dari hasil pengukuran adalah 0,096 Ohm, sedangkan besarnya suatu tahanan pembumian maksimum adalah 1 Ohm. Maka dari hasil tersebut dapat disimpulkan bahwa sistem pembumian gardu Induk Belawan masih berada dalam 16

18 batas toleransi keamanan, baik untuk mengamankan peralatan maupun manusia yang berada di dalam dan diluar gardu induk tersebut, karena tahanan pembumian (R o ) yang dihasilkan lebih kecil dari batas yang diizinkan 4. Sebagai evaluasi untuk sistem pembumian gardu induk Belawan masih dapat dipertahankan, dengan kata lain masih belum diperlukan perubahan atau pergantian. DAFTAR PUSTAKA A.S Pabla dan Abdul Hadi, Sistem Distribusi Daya Listrik, Erlangga, Jakarta, 1994 DR.A. Arismunandar, M.A.Sc. Teknik Tenaga Listrik, Jilid II, Pradnya Paramita, 1993 DR.A. Arismunandar, M.A.Sc. Teknik Tenaga Listrik, Jilid III, Pradnya Paramita, 1993 Ir. T.S. Hutauruk, M.E.E, Pengetahuan Netral Sisten Tenaga dan Pengetanahan Peralatan, Erlangga, PUIL 2000, Persyaratan Umum Instalasi Listrik 2000, SNI