BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Sistem Pembumian Gardu Induk Menentukan sistem pembumian gardu induk yang berfungsi dengan baik dari keseluruhan pemasangan pembumian dan mempunyai arti untuk mengalirkan arus gangguan ke tanah. Itu sangat penting bahwa pembumian gardu induk memiliki tahanan pembumian yang rendah, agar kapasitas arus terjaga dan orang terlindung dari bahaya. Semua pagar gardu induk di konstruksi dan dipasang pembumian grid yang bertujuan untuk menjaga masyarakat dan orang yang bekerja. 2.2 Sistem Pembumian Grid Peralatan gardu induk sebaiknya dipasang pembumian grid dengan penghantar yang besar berguna untuk memperkecil tahanan pembumian dan batas tegangan diantara peralatan dan permukaan tanah pada nilai yang diijinkan. Pembumian grid merupakan salah satu sistem pembumian yang banyak digunakan pada gardu induk karena mempunyai beberapa keuntungan dibandingkan dengan sistem pembumian lainnya. Beberapa keuntungan tersebut antara lain pemasangannya lebih mudah terutama pada daerah berbatu, gradien tegangan pada sistem pembumian grid akan lebih rata.
Sistem pembumian grid dilakukan dengan cara menanamkan batang batang konduktor sejajar dengan permukaan tanah pada kedalaman tertentu. Batang batang konduktor tersebut terhubung satu dengan yang lainnya, sehingga membentuk beberapa buah mesh. Distribusi tegangan tergantung pada jarak elektroda paralel, makin besar jarak elektroda maka terdistribusi tegangannya makin tidak rata dan makin dekat jarak elektroda paralel maka terdistribusi tegangannya semakin merata. 2.2.1. Tahanan Pembumian Pembumian yang ideal harus memberikan nilai tahanan pembumian mendekati nol atau 1 ohm untuk gardu induk bertegangan tinggi (ANSI/IEEE Std 80 2000). Sebagai perkiraan pertama, sebuah nilai minimum dari tahanan pembumian gardu induk pada tanah yang seragam (uniform) untuk lapisan pertama (permukaan tanah) saja dapat dihitung dengan persamaan :...(1) Dimana : R g = Tahanan pembumian gardu induk (Ω) A = luas area pentanahan grid ( m 2 )
ρ = Tahanan jenis tanah (Ω-m) Kemudian, pada lapisan kedua dengan adanya gabungan antara grid dan batang rod untuk tanah yang seragam, jumlah konduktor grid dan konduktor batang rod yang ditanam pada kedalaman tertentu sehingga diperoleh persamaan seperti dibawah ini menurut Laurent, P. G., 1951 dan Nieman, J, 1952:...(2) Dimana L T = total dari panjang konduktor yang tertanam ( m ) Menurut Sverak, selanjutnya dari persamaan 2 dimasukkan nilai pada efek kedalaman grid....(3) Dimana : h = kedalaman penanaman konduktor (m). Menurut Schwarz Kaitan yang dapat diikuti pada persamaan dalam menentukan tahanan total pembumian yang tanahnya homogen yang terdiri dari grid horizontal dan penghantar rod vertikal. Persamaan schwarz dapat dilanjutkan untuk mengetahui tahanan kawat penghantar pembumian disebut R1, pada tahanan pembumian grid keseluruhan disebut R2, Rm merupakan tahanan diantara kumpulan penghantar grid dan kumpulan pembumian rod rod sedangkan Rg merupakan tahanan pembumian dapat dilihat pada persamaan 4.
.... (4) Tahanan penghantar pembumian grid dapat dilihat pada persamaan 4....(5) ρ = Tahanan jenis tanah dalam satuan (Ω. m) L c = Total panjang penghantar keseluruhan grid yang terhubung dalam satuan (m) a' untuk kedalaman penghantar dalam satuan m atau adalah penghantar di permukaan tanah dalam satuan (m) A = Area bagian penghantar dalam m 2. k 1, k 2 = Koefisien Untuk mencari nilai tahanan rod pembumian dapat dilihat pada persamaan 6....(6) Dimana : Lr = Panjang setiap rod dalam satuan (m) 2b = Diameter rod dalam satuan (m)
n R = Area A letak penamaan rod Mutu tahanan pembumian antara R 1 dan R 2 yaitu Rm dan dapat dituliskan pada persamaan 7....(7) 2.2.2. Tahanan Jenis Tanah Faktor keseimbangan antara tahanan pembumian dan kapasitansi disekeliling adalah tahanan jenis tanah yang direpresentasikan dengan ρ. Harga tahanan jenis tanah pada daerah kedalaman yang terbatas tidaklah sama. Beberapa faktor yang mempengaruhi tahanan jenis tanah yaitu: 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. Kelembaban tanah seperti basah atau kering d. Temperatur tanah dan jenis tanah. Besar tahanan pembumian pada sistem pembumian ditentukan oleh tahanan jenis tanah. Jadi pada suatu perencanaan sistem pembumian, harus dilakukan terlebih
dahulu pengukuran tahanan jenis tanah di tempat tersebut. Berdasarkan harga tahanan jenis tanah tersebut, maka selanjutnya dibuat perencanaan sistem pembumiannya. 2.3. Bahaya Bahaya Yang Timbul Pada Gardu Induk Pada Keadaan Gangguan Tanah Secara umum kita tinjau bahaya bahaya yang mungkin ditimbulkan oleh tegangan atau arus listrik terhadap manusia mulai dari yang ringan sampai paling yang berat yaitu pingsan atau mati. Ringan atau berat bahaya yang timbul, tergantung dari faktor faktor dibawah ini sebagai berikut: a. Tegangan dan kondisi orang terhadap tegangan tersebut. b. Besarnya arus yang melewati tubuh manusia. c. Jenis arus, searah atau bolak balik. Pada sistem tegangan tinggi sering terjadi kecelakaan terhadap manusia, dalam hal terjadi tegangan kontak langsung atau dalam hal manusia berada didalam suatu daerah yang mempunyai gradien tegangan yang tinggi. Sebenarnya yang menyebabkan bahaya tersebut adalah besarnya arus yang mengalir dalam tubuh manusia. Arus gangguan ini akan mengalir melalui bagian bagian peralatan yang terbuat dari logam dan juga mengalir dalam tanah disekitar gardu induk. Arus gangguan tersebut dapat menimbulkan gradien tegangan diantara peralatan, peralatan
dengan tanah dan juga gradien tegangan pada permukaan tanah itu sendiri. Untuk menganalisa lebih lanjut akan ditinjau beberapa kemungkinan terjadinya tegangan dan kondisi orang yang sedang berada di dalam dan sekitar gardu induk tersebut. Untuk menganalisa keadaan ini maka diambil beberapa pendekatan sesuai dengan kondisi orang yang sedang berada didalam atau sekitar gardu induk tersebut pada saat terjadi kesalahan ke tanah. Pada hakekatnya tegangan selama mengalirnya arus gangguan tanah dapat digambarkan sebagai berikut: a. Tegangan sentuh b. Tegangan langkah
2.3.1. Tegangan Sentuh Tegangan sentuh adalah tegangan yang terdapat diantara suatu obyek yang disentuh dan suatu titik berjarak 1 meter, dengan asumsi bahwa objek yang disentuh dihubungkan dengan kisi-kisi pembumian yang berada di bawahnya, seperti yang terlihat pada Gambar 1 menurut IEEE 80-2000. Gambar 1. Situasi shock Manusia dengan berat badan 50 dan 70 Kg yang berada diantara satu objek dapat dihitung tegangan sentuh pada persamaan 8 dan 9 dibawah ini....(8)...(9) Dimana:
E t 50 = Tegangan sentuh untuk berat badan manusia 50 kg, E t 70 = Tegangan sentuh untuk berat badan manusia 70 kg, C s = Faktor reduksi nilai resistivitas permukaan tanah ρ s = Tahanan jenis permukaan material (lapisan batu koral), Ohm-m t = Waktu gangguan tanah (waktu kejut), detik Apabila tidak ada pengaman yang digunakan pada lapisan permukaan dimana Cs =1 and ρs = ρ. Cs dapat dianggap sebagai faktor koreksi untuk menghitung efektif kaki perlawanan di hadapan dengan ketebalan hingga permukaan material. Nilai Cs dapat digunakan 5 % dari nilai analisa metode menurut (Thapar, Gerez, and Kejriwal). Faktor reduksi dari nilai resistivitas permukaan tanah diformulasikan :...(10) Dimana: hs = Ketebalan lapisan batu koral (m) ρ = Tahanan jenis tanah (ohm-m) ρ s = Tahanan jenis permukaan material lapisan batu koral (ohm-m)
Tabel 1. Tegangan sentuh yang diizinkan dan lama gangguan berdasarkan IEEE Std 80 2000. Lama Gangguan (t) (detik) Tegangan Sentuh Yang Diizinkan (Volt) 0,1 1980 0,2 1400 0,3 1140 0,4 990 0,5 890 1 626 2 443 3 362 Untuk pembumian grid dengan model bujur sangkar maupun empat persegi panjang (rectangular grid) menurut IEEE Std 80 2000 mempunyai batasan : 1. Jumlah konduktor parallel dalam satu sisi kurang dari 25 (n<25), 2. 0.25 < h < 2.5 dengan h adalah kedalaman penanaman konduktor (m), 3. d < 25 m, d adalah diameter penghantar (m), 4. D > 2.5 m, D adalah jarak antar konduktor parallel (m).
2.3.2. Tegangan Langkah Tegangan langkah adalah tegangan yang timbul di antara dua kaki orang yang sedang berdiri diatas tanah yang sedang dialiri oleh arus kesalahan ke tanah, dapat dilihat Gambar 1 pada halaman 14. Manusia dengan berat badan 50 dan 70 Kg dapat dihitung tegangan langkah pada persamaan 11 dan 12 dibawah ini....(11)...(12) Tegangan Langkah maksimum diperkirakan terjadi lebih dari jarak 1 m, mulai dan memperluas luar konduktor perimeter pada sudut yang membagi dua sudut yang paling ekstrim dari grid. Untuk kedalaman biasa dari 0,25 m <h <2,5 m (Sverak [B132]), Ks adalah...(13) Dimana : Ks = Faktor Geometrik Tegangan Langkah h = Kedalaman grid dalam m Suatu usaha dilakukan untuk memperluas persamaan ini untuk termasuk penggunaan batang tanah. Jika Lc merupakan panjang konduktor grid total dan L R
merupakan total panjang dari semua batang kecil tanah, maka untuk grid dengan batang atau tanpa batang tanah. Dimana : Dimana,...(14) Es50 = Tegangan langkah untuk berat badan manusia 50 kg, Es70 = Tegangan langkah untuk berat badan manusia 70 kg. Tabel 2. Tegangan Langkah yang diijinkan dan lama gangguan berdasarkan IEEE Std 80 2000. Lama Gangguan (t) (detik) Tegangan Langkah yang Diijinkan (Volt) 0,1 7000 0,2 4950 0,3 4040 0,4 3500 0,5 3140 1 2216 2 1560 3 1280
2.3.3. Tegangan Sentuh Logam Dengan Logam Perbedaan tegangan diantara logam atau bagian struktur gardu induk yang mungkin disentuh langsung oleh tangan ke tangan atau kontak tangan dengan kaki seperti yang terlihat Gambar 1 pada halaman 14. Batas batas tegangan sentuh logam dengan logam berasal dari persamaan tegangan sentuh. Persamaan 8 dan 9 hubungan logam dengan logam, kedua tangan dengan tangan, tangan dengan kaki, akan menghasilkan ρs = 0. Dengan substitusi ρs = 0, tahanan kaki menurut persamaan 8 dan 9, dengan batas tegangan sentuh antara logam dengan logam didapat persamaan menjadi : Untuk berat badan 50 Kg...(15) Untuk berat badan 70 Kg...(16) Dimana Emm adalah tegangan sentuh logam dengan logam. 2.3.4. Tegangan Mesh Tegangan mesh merupakan salah satu bentuk tegangan sentuh. Tegangan mesh didefinisikan sebagai tegangan peralatan yang dibumikan terhadap tengah tengah daerah yang dibentuk konduktor kisi kisi selama gangguan tanah.
Tegangan mesh ini menyatakan tegangan tertinggi yang mungkin timbul sebagai tegangan sentuh yang dapat dijumpai dalam sistem pembumian gardu induk. Nilai tegangan mesh tergantung pada faktor geomterik, Km; Faktor Koreksi Ki, Tahanan tanah ρdan rata rata arus per unit dengan panjang sistem pembumian penghantar (IG/LM) dapat dilihat pada persamaan 17....(17) Dimana : K i = faktor koreksi tegangan mesh untuk nilai pertambahan arus pada grid, K m = faktor geometrik tegangan mesh,...(18) Faktor geometrik K m dapat dituliskan pada persamaan 19....(19) Untuk grid grid dengan paraneter pembumian rod, atau grid grid dalam sudut rod pembumian, sebagai parameter dan bagian luar area grid. dengan pembumian rod = 1 Untuk grid grid tanpa pembumian rod rod atau grid grid dengan beberapa rod rod tidak dipasang pada sudut dituliskan pada persamaan 20.
...(20) Untuk grid acuan dapat dituliskan pada persamaan 21 dibawah ini........(21) ho = 1 m (referensi kedalaman jaring-jaring) Menurut Thapar, Gerez, Balakrishnan penggunaan empat grid dapat efektif pada penghantar grid yang diparalel dengan sebutan n. Dapat dibentuk menjadi bujur sangkar maupun empat persegi panjang (rectangular grid) atau penomoran yang tidak beraturan grid grid pada penghantar paralel yang ekivalen dengan bujur sangkar grid dituliskan pada persamaan 22....(22) Dimana :...(23)...(24)...(25)...(26) Dimana : A = Area grid dalam (m 2 ) Lx Ly = Panjang maksimum dari arah grid x satuan (m) = Panjang maksimum dari arah grid y satuan (m)
Dm = Jarak maksimum antara 2 grid satuan (m) 2.4. Kenaikan Tegangan Tanah Kenaikan tegangan tanah adalah maksimum tegangan listrik pada pembumian gardu induk grid yang mungkin ada relatif terhadap jarak nilai pembumian diasumsikan seperti tegangan pada pembumian....(27) Dimana: I g = Arus rms grid simetris (A) R g = Tahanan pembumian grid (Ω) 2.5. Arus Grid Maksimum Arus grid maksimum adalah arus terbesar yang mengalir pada rangkaian pembumian grid saat terjadi gangguan fasa ke tanah....(28) dengan...(29) Arus grid maksimum juga dipengaruhi oleh faktor decrement (Df), lamanya waktu gangguan (t f ) sehingga nilai perencanan dari arus gangguan maksimum didefenisikan :
...(30)...(31)...(32) Dimana: IG = Arus grid maksimum (A) Df = Decrement factor, nilainya ditentukan berdasarkan waktu gangguan = 1 (untuk waktu gangguan 0.5 detik) Cp = Faktor proyeksi korektif yang dihitung untuk kenaikan relatif arus gangguan selama keberlangsungan sistem. Untuk sistem dengan pertumbuhan nol Cp = 1 Ig = Arus grid simetris (A) If = Nilai rms dari arus gangguan tanah (A) Sf = Faktor pembagi arus gangguan, = 0.7 (untuk gardu induk yang berkawat tanah) Io = arus gangguan urutan nol. I 0 = Arus gangguan urutan nol (A).
2.6. Arus Gangguan Simetri Ditanahkan Arus gangguan simetris If = 3 Io gunanya kita akan dapat menggunakan jenis kawat yang akan digunakan pada pembumian grid....(33) Untuk gangguan 115 kv di Bus maka dipakai rumus :...(34) Untuk ukuran kawat yang mampu menahan besarnya titik lebur sehingga direncanakan menggunakan kawat tembaga yang solid, maka dipakai persamaan 35....(35)...(36) Dimana: t c = Waktu arus dalam (s) K f = Konstanta bahan I KA = Arus gangguan A = Ukuran kawat penghantar