BAB II PEMBUMIAN PERALATAN LISTRIK DENGAN ELEKTRODA BATANG. Tindakan-tindakan pengamanan perlu dilakukan pada instalasi rumah tangga

Transkripsi

1 BAB II PEMBUMIAN PERALATAN LISTRIK DENGAN ELEKTRODA BATANG II.1. Umum (3) Tindakan-tindakan pengamanan perlu dilakukan pada instalasi rumah tangga untuk menjamin keamanan manusia yang menggunakan peralatan listrik dan binatang yang berada di sekitar instalasi. Usaha-usaha untuk mencapai tujuan ini antara lain adalah : Mencegah tersentuhnya bagian-bagian instalasi yang bertegangan. Menggunakan tegangan yang cukup rendah. Menggunakan isolasi ganda. Membumikan badan peralatan. Menggunakan saklar pengaman. Berikut ini akan dijelaskan tentang tindakan pengaman dengan membumikan badan peralatan, antara lain menyangkut fungsi pembumian peralatan, pemasangan elektroda batang, tahanan pembumian dan tahanan jenis tanah. II.2. Fungsi Pembumian Peralatan listrik (10) Instalasi dan perlengkapan yang bertegangan lebih dari 50 V harus dilengkapi dengan pengaman agar manusia terhindar dari bahaya sentuh tak langsung. Yang dimaksud dengan bahaya sentuh tak langsung adalah bahaya karena sentuhan pada bagian konduktif terbuka (BKT) peralatan listrik yang bertegangan akibat kegagalan isolasi. Salah satu upaya pengamanan yang dilakukan terhadap bahaya tegangan sentuh adalah dengan membumikan peralatan ke bumi. Pembumian peralatan dilakukan dengan menghubungkan semua bagian konduktif terbuka peralatan

2 tersebut ke bumi melalui penghantar pembumian dan elektroda pembumian yang di tanam di dalam bumi. Pada sistem tegangan rendah elektroda pembumian yang umum digunakan adalah elektroda batang. Misalkan suatu peralatan mempunyai elemen yang tahanannya R, dihubungkan ke sumber tegangan V dan peralatan tersebut tidak dibumikan seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1. v Kawat Phasa R PELINDUNG PERALATAN LISTRIK YANG TERBUAT DARI METAL NETRAL Ia Gambar 2.1. Peralatan listrik tidak dibumikan disentuh oleh orang yang berdiri di tanah Misalkan tahanan isolasi peralatan adalah R i dan tahanan tubuh manusia ke bumi adalah R b. Jika ada seseorang yang sedang menyentuh peralatan berdiri di permukaan bumi maka rangkaian pengganti dari Gambar 2.1 adalah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2. Pada gambar tersebut arus dari sumber utama akan mempunyai suatu lintasan alternatif yang melewati tahanan isolasi peralatan listrik R i, tahanan tubuh manusia ke bumi (R b ).

3 P V N 0 Re I Ia R Ib Ri Rb L I N T A S A N A L T E R N A T I F Gambar 2.2. Rangkaian pengganti sistem pada Gambar 2.1 Arus I b adalah arus pada lintasan alternatif. Arus ini tergantung pada tahanan isolasi R i, R b, R e dan tegangan terpasang V. Namun, yang paling mempengaruhi arus tersebut adalah tahanan R i karena nilainya bervariasi mulai dari tak terhingga ketika isolasinya bagus dan nol ohm ketika terjadi hubung singkat antara elemen peralatan dan pelindung metal. Tidak ada arus yang akan melewati lintasan alternatif jika tahanan isolasi tak terhingga. Ketika peralatan baik atau tidak terjadi kegagalan isolasi, maka : R i =...(2.1) sehingga V I b = 0...(2.2) R - R b e Akibatnya, tidak ada arus yang mengalir melewati tubuh dan tidak ada kejutan listrik yang dialami oleh manusia.

4 Ketika isolasi elemen rusak, tahanan isolasi peralatan akan mendekati nol, dan nilai I b akan lebih tergantung kepada tahanan tubuh manusia (R b ). Arus ini dapat menimbulkan bahaya yang fatal kepada manusia. Dalam keadaan ini, I b = V R b R e.(2.3) Adapun besar tegangan yang dirasakan oleh manusia adalah V b = I b R b (2.4) Tegangan yang dirasakan oleh tubuh terlihat ditentukan oleh besarnya arus I b yang mengalir melalui tubuh, sehingga arus I b diusahakan sekecil mungkin agar tegangan yang dirasakan oleh tubuh tidak membahayakan. Misalkan pelindung metal dibumikan seperti Gambar 2.3.a. Rangkaian listriknya adalah seperti pada Gambar 2.3.b. P I Ib P Ia V R Ri V N N Re Rpp A Id Ic Rb Gambar 2.3. Suatu peralatan listrik dibumikan disentuh seseorang a.peralatan yang dibumikan b.rangkaian listrik pengganti Gambar 2.3.a. Arus I b sangat ditentukan oleh tahanan R i. Ketika isolasi dari elemen bagus, nilai R i sangat besar sehingga arus I b dapat diabaikan. Ketika isolasi tersebut buruk, nilai R i akan mendekati nol. Arus bocor I b dapat memberikan efek yang sangat fatal bagi manusia, Di titik A arus I b dibagi menjadi dua jalur : satu melewati tubuh

5 manusia dengan tahanan R b dan satu lagi melewati tahanan kawat penghantar pengaman R pp dan tahanan pembumian R e. Tahanan pembumian selalu diusahakan sekecil mungkin. Karena R e jauh lebih besar dari R pp, maka tahanan R pp dapat diabaikan. Tahanan ekivalen lintasan alternatif menjadi : 1 R = R i + 1/ R e 1/R b selanjutnya ReRb = R i + R R e b...(2.5) I b = R i V ReRb R R e b...(2.6) Jika arus yang melewati tubuh dan pembumian masing-masing adalah I c dan I d, maka : I c = dan I d = I b R R e e b I b R R b x R e....(2.7) x R b...(2.8) Karena nilai maksimum R e dibuat 5 Ohm (menurut PUIL) dan R b di bawah kondisi paling buruk mencapai Ohm, maka arus I d akan lebih besar dari I c. Artinya, arus yang melewati sistem pembumian lebih besar dari arus yang melewati tubuh manusia, sehingga arus yang melalui tubuh manusia tidak menimbulkan bahaya. Besar tegangan yang dirasakan oleh tubuh manusia adalah : V b = I c R b.. (2.9)

6 Besar tegangan yang dirasakan oleh tubuh tidak cukup menyebabkan bahaya karena besar arus I c sangat kecil bila dibandingkan dengan arus yang melewati tahanan pembumian. Nilai arus I b akan cukup besar sehingga arus dari sumber semakin besar. Hal ini menyebabkan fuse pada rangkaian melebur sehingga peralatan listrik terisolir dari sumber listrik. Uraian di atas memberi kesimpulan bahwa fungsi pembumian adalah membatasi tegangan ke bumi pada bagian-bagian konduktif terbuka (BKT) peralatan listrik jika terjadi hubung singkat ke badan peralatan akibat kegagalan isolasi. II.3 Pemasangan dan Susunan Elektroda Batang (3) Elektroda batang dapat berupa pipa besi, baja profil atau batang logam lainnya yang dipancangkan ke dalam tanah. Elektroda batang dimasukkan tegak lurus ke dalam tanah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4. Panjangnya disesuaikan dengan tahanan pembumian yang diperlukan. Tahanan pembumian satu elektroda pembumian sebagian besar tergantung pada panjang elektroda, tahanan jenis tanah dan sedikit tergantung pada ukuran penampangnya. Jika satu batang elektroda pembumian tidak dapat mencapai nilai tahanan pembumian yang diinginkan maka digunakan beberapa elektroda yang diparalel.

7 Gambar 2.4. Pemasangan elektroda pembumian Tahanan pembumian dari elektroda pembumian tergantung pada jenis dan keadaan tanah serta pada ukuran dan susunan elektroda. Tahanan pembumian suatu elektroda harus dapat diukur. Untuk keperluan tersebut penghantar yang menghubungkan setiap elektroda bumi atau susunan elektroda bumi harus dilengkapi dengan hubungan yang dapat dilepaskan. II.4. Tahanan Pembumian Elektroda Batang (4) Tahanan pembumian didefinisikan sebagai besarnya tahanan yang dirasakan oleh arus yang mengalir dari elektroda pembumian ke suatu titik yang jauh tak terhingga yang mempunyai tahanan nol. Sedangkan yang dimaksud dengan elektroda pembumian adalah penghantar yang di tanam dalam bumi dan membuat hubungan langsung dengan bumi. Tahanan pembumian merupakan salah satu parameter yang sangat perlu diketahui dalam merencanakan suatu sistem pembumian. Sistem pembumian yang baik akan memberikan harga tahanan pembumian yang mendekati nol.

8 II.4.1. Satu Batang Elektroda (7) Dasar perhitungan tahanan pembumian adalah perhitungan kapasitansi dari elektroda pembumian dengan anggapan bahwa distribusi arus atau muatan uniform sepanjang elektroda. Hubungan tahanan dan kapasitansi dapat dijelaskan dengan analogi. Misalkan dua pelat konduktor diisolir dengan luas masing-masing A cm 2 dengan rapat muatan pelat masing-masing q/cm 2, dan q/cm 2, jarak antara pelat adalah d cm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.5. Luas A cm 2 Q=qA Coulomb d cm Gambar 2.5. Konduktor pelat sejajar Jumlah garis fluks yang melalui dielektrik di antara kedua pelat adalah 4πqA. Kuat medannya adalah 4πq. Maka tegangan antara kedua pelat V = 4πqd Volt. Jumlah muatan pada setiap pelat adalah Q = qa Coulomb. Dari hubungan : Diperoleh : Q C...(2.10) V 1 C V 4 q d...(2.11) Q q A

9 1 4 d C A Jika di antara kedua pelat diletakkan tanah dengan tahanan jenis ohm-cm maka tahanan antara pelat adalah : d R...(2.12) A Dari persamaan 2.10 diperoleh : d A 1 4 C....(2.13) Sehingga tahanan : R...(2.14) 4 C Dimana : R = C = tahanan (ohm) kapasitansi (farad) = tahanan jenis tanah (ohm-cm) Dalam hal ini tahanan elektrodanya sendiri tidak diperhitungkan karena tahanan jenis konduktor kecil sekali dibandingkan dengan tahanan jenis tanah. Kalau kita perhatikan Persamaan 2.12, maka tahanan pembumian dapat dihitung dengan menghitung sistem pembumian. Kapasitansi suatu sistem pembumian adalah dengan prinsip bayangan. Prinsip bayangan secara sederhana dapat diterangkan sebagai berikut : misalkan dua elektroda titik A dan B bermuatan yang sama besarnya di dalam media yang tak terbatas, dan juga dimisalkan arus I mengalir pada kedua titik tersebut, seperti yang

10 dilukis pada Gambar 2.6. Gambar 2.6. Prinsip Bayangan Arus I akan mengalir keluar dari kedua elektroda titik tersebut secara radial. Suatu bidang bayangan terletak di tengah-tengah kedua elektroda dan tegak lurus terhadap garis hubung kedua elektroda. Karena kedua elektroda tersebut simetris terhadap bidang bayangan, maka tidak ada arus yang mengalir dalam arah tegak lurus bidang bayangan. Apabila media dan elektroda pada suatu sisi dihilangkan tanpa mengubah distribusi arus dan tegangan maka bidang bayangan PP dapat disamakan dengan permukaan tanah. Apabila bidang bayangan dianggap sebagai permukaan tanah maka potensial disebabkan oleh elektroda di bawah permukaan tanah adalah : V I (2.15) 4 S S' Dimana : V = potensial pada permukaan tanah (Volt) I = arus yang masuk tanah dari elektroda (Ampere)

11 = tahanan jenis tanah (Ohm-Meter) S = jarak elektroda terhadap permukaan tanah (Meter) S = jarak bayangan elektroda terhadap permukaan tanah (Meter) Dalam persoalan pembumian, elektroda pembumian merupakan bahan penghantar yang membawa muatan listrik yang terdistribusi (menyebar) di sekeliling elektroda pembumian. Dengan cara seperti ini potensial di setiap tempat pada permukaan elektroda akan sama. Bila pada elektroda tersebut diberikan suatu muatan yang merata, maka kapasitansi dapat dihitung dengan metode potensial rata - rata. Hasil yang didapatkan untuk satu batang elektroda berbentuk selinder yang ditanam tegak lurus terhadap permukaan tanah seluruhnya di dalam tanah dinyatakan dengan persamaan: 1 C 1 4L ln 1...(2.16) L a Maka tahanan dari satu batang elektroda yang ditanam tegak lurus permukaan tanah, didapat dengan mensubtitusikan persamaan (2.16) ke dalam persamaan (2.12) sehingga diperoleh persamaan 4L R ln (2.17) 2L a

12 II.4.2. Tahanan Pembumian Elektroda Batang Paralel (13) Jika dengan menggunakan satu batang elektroda, tahanan pembumian tidak mencapai yang diinginkan maka digunakan beberapa elektroda yang diparalel, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7. Gambar 2.7. Susunan elektroda batang paralel Tahanan pembumian sistem pembumian paralel adalah : R t = 1 1 4L F L L ln 1 a (14)...(2.18) 2 N Dimana : Rt = Tahanan Pembumian yang mempunyai beberapa elektroda (Ohm) = Tahanan Jenis Tanah (Ohm-meter) L = Panjang Elektroda (meter) a = Diameter Elektroda (meter) N = Jumlah elektroda F = Faktor yang nilainya bervariasi menurut jumlah elektroda nilainya terdapat dalam Tabel 2.1

13 Tabel 2.1. Harga dari Faktor F (12) Jumlah Elektroda F II.5 Tahanan Jenis Tanah (2) Menurut Persamaan 2.12, tahanan pembumian tergantung kepada tahanan jenis tanah ( ). Harga tahanan jenis tanah pada daerah kedalaman yang terbatas tidaklah sama. Beberapa faktor yang mempengaruhi tahanan jenis tanah adalah : a. Keadaan struktur tanah antara lain ialah struktur geologinya, seperti tanah liat, tanah rawa, tanah berbatu, tanah berpasir, tanah gambut dan sebagainya. b. Unsur kimia yang terkandung dalam tanah, seperti garam, logam, dan mineral-mineral lainnya. c. Keadaan iklim, basah atau kering. d. Temperatur tanah dan jenis tanah. Berdasarkan Persyaratan Umum Instalasi Listrik 2000 (PUIL 2000) tahanan jenis tanah dari berbagai jenis tanah dapat dilihat pada Tabel 2.2.

14 Jenis Tanah Tabel 2.2. Tahanan Jenis Tanah (3) Tanah Rawa 30 Tanah Liat dan Tanah Ladang Tahanan Jenis Tanah (-m) 100 Pasir Basah 200 Kerikil Basah 500 Pasir dan Kerikil kering 1000 Tanah Berbatu 3000 II.5.1. Pengaruh Keadaan Struktur Tanah (12) Tahanan jenis tanah bervariasi dari 500 sampai Ohm per cm 3. Kadangkadang harga ini dinyatakan dalam Ohm-cm. Pernyataan Ohm-cm merepresentasikan tahanan di antara dua permukaan yang berlawanan dari suatu volume tanah yang berisi 1 cm 3. Kesulitan yang biasa dijumpai dalam mengukur tahanan jenis tanah adalah bahwa dalam kenyataannya komposisi tanah tidaklah homogen pada seluruh volume tanah, dapat bervariasi secara vertikal maupun horizontal, sehingga pada lapisan tertentu mungkin terdapat dua atau lebih jenis tanah dengan tahanan jenis yang berbeda. Untuk memperoleh harga sebenarnya dari tahanan jenis tanah, harus dilakukan pengukuran langsung ditempat dengan memperbanyak titik pengukuran. II.5.2. Pengaruh Unsur Kimia (2) Untuk mendapatkan tahanan jenis tanah yang lebih rendah, komposisi kimia tanah diubah dengan memberikan garam pada tanah dekat elektroda pembumian. Cara ini hanya baik untuk sementara sebab proses penggaraman harus dilakukan secara periodik, sedikitnya 6 (enam) bulan sekali.

15 Cara lain untuk mendapatkan tahanan jenis tanah yang rendah adalah dengan memberikan air atau membasahi tanah. Harga tahanan jenis tanah pada kedalaman yang terbatas sangat tergantung dengan keadaan cuaca. Untuk mendapatkan tahanan jenis tanah rata-rata untuk keperluan perencanaan, maka diperlukan penyelidikan atau pengukuran dalam jangka waktu tertentu. II.5.3. Pengaruh Iklim (7) Untuk mengurangi variasi tahanan jenis tanah akibat pengaruh musim, pembumian dapat dilakukan dengan menanam elektroda pembumian sampai mencapai kedalaman di mana terdapat air tanah. Kadangkala kelembaban dan temperatur bervariasi di sekitar elektroda pembumian sehingga harga tahanan jenis tanah harus diambil untuk keadaan yang paling buruk, yaitu pada keadaan tanah kering dan dingin. Tahanan jenis tanah akan dipengaruhi pula oleh besar kecilnya konsentrasi air tanah atau kelembaban tanah jika konduktivitas tanah semakin besar maka tahanan jenis tanah semakin kecil. II.5.4. Pengaruh Temperatur Tanah (7) Temperatur tanah sekitar elektroda pembumian juga berpengaruh pada besarnya tahanan jenis tanah. Hal ini terlihat sekali pengaruhnya pada temperatur di bawah titik beku air (0 C). Di bawah harga ini penurunan temperatur yang sedikit saja akan menyebabkan kenaikan harga tahanan jenis tanah dengan cepat. Gejala di atas dapat dijelaskan sebagai berikut ; pada temperatur di bawah titik beku air (0 C), air di dalam tanah akan membeku, molekul-molekul air dalam tanah sulit untuk bergerak, sehingga daya hantar listrik tanah menjadi

16 rendah sekali. Bila temperatur tanah naik, air akan berubah menjadi fase cair, molekul-molekul dan ion-ion bebas bergerak sehingga daya hantar listrik tanah menjadi besar atau tahanan jenis tanah turun. Pengaruh temperatur terhadap tahanan jenis tanah dapat dihitung dengan rumus di bawah ini : t 0 1 t...(2.19) dimana : t = tahanan jenis tanah pada tc. o = tahanan jenis tanah pada 0C o = koefisien temperatur tahanan per C pada 0 t = temperatur yang timbul (C) Secara grafis pengaruh kandungan garam, kelembaban tanah dan temperatur terhadap tahanan jenis tanah dapat dilihat pada Gambar 2.8 Tahanan Jenis (-m) Kandungan Garam dalam % Tahanan Jenis (-m) Kelembaban tanah dalam % (a) (b)

17 Tahanan Jenis (-m) Temperatur dalam % (c) Gambar 2.8. Variasi tahanan jenis tanah karena : (a) Kandungan Garam ; (b) kelembaban tanah ; (c) Temperatur