PENGGUNAAN KONDUKTOR TEMBAGA DAN ALUMINIUM UNTUK SISTEM PENTANAHAN Galuh Renggani Wilis, Irfan Santosa Staf Pengajar Prodi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Pancasakti Tegal Jalan Halmahera KM.1 Tegal 0283 (342519) Email: galuhrw@gmail.com & ci_ulya@yahoo.co.id Abstrak Sistem pentanahan atau biasa disebut sebagai grounding adalah sistem pengamanan terhadap perangkat-perangkat yang mempergunakan listrik sebagai sumber tenaga, dari lonjakan listrik, petir, dll. Konduktor/hantaran pentanahan (ground grid) dan batang pentanahan (ground rod) adalah salah satu komponen utama dalam instalasi sistem pentanahan, ground grid yang berperan untuk menyalurkan arus dari satu bagian ke bagian lain, harus jenis penghantar yang baik, kuat secara mekanis dan dilindungi untuk menjaga kemungkinan gangguan mekanis yang dapat menyebabkan turunnya daya hantar ataupun terputus. Penelitian ini menggunakan bahan umum ground grid dan ground rod yang digunakan adalah jenis tembaga dan aluminium. Tujuan dari penelitian ini antara lain menganalisa perbandingan penggunaan konduktor pentahanan (ground grid) dan batang pentanahan (ground rod) antara jenis tembaga dan aluminium secara teknis maupun dari kondisi lingkungan. Menganalisa biaya dari penggunaan konduktor pentanahan (ground grid) dan batang pentanahan (ground rod) dengan jenis aluminium sebagai bahan alternatif. Sistem pentanahan yang digunakan untuk penelitian adalah tipe elektroda gabungan agar mendapatkan keandalan yang lebih baik. Dengan menggunakan tabel 2 IEEE 80-20002 copper commercial hard drawn Kf = 7 dan fault duration (tf) = 1 detik sedangkan aluminium alloy Kf = 12,41 dan fault duration (tf) = 1 detik. Dari perhitungan dengan panjang yang sama antara tembaga 70 mm2 dengan aluminium 95 mm2 maka didapat hasil yang sama yaitu tahanan tanah 1.951 Ohm dan tegangan langkah 69.1 Volt. Sedangkan hasil perhitungan tegangan sentuh terjadi perbedaan, dengan menggunakan material tembaga didapat 248.3 Volt dan menggunakan material aluminium didapat 243 Volt. Dari hasil perhitungan pentanahan antara material jenis tembaga dengan aluminium secara teknis tidak ada perbedaan. Sehingga material aluminium bisa dijadikan sebagai alternatif pengganti material tembaga. Dari pembahasan biaya diatas maka secara ekonomis harga konduktor lebih murah dibandingkan dengan harga konduktor aluminium, selisihnya Rp 240,473,600. Total harga untuk material tembaga adalah Rp 336,080,600 sedangkan total harga material aluminium adalah Rp 95,607,000, maka efisiensinya adalah 71.55 %. Dari kondisi lingkungan material jenis aluminium bisa diaplikasikan untuk konduktor dan batang pentanahan untuk sistem pentanahan. Kata Kunci : Konduktor, Sistem Pentanahan, Material, Efisiensi.
I. Pendahuluan 1.1.Latar Belakang Masalah Sistem pentanahan atau biasa disebut sebagai grounding adalah sistem pengamanan terhadap perangkatperangkat yang mempergunakan listrik sebagai sumber tenaga, dari lonjakan listrik, petir, dll. Tujuan utama dari adanya pentanahan adalah menciptakan jalur yang low-impedance (tahanan rendah) terhadap permukaan bumi untuk gelombang listrik dan transient voltage. Penerangan, arus listrik, circuit switching dan electrostatic discharge adalah penyebab umum dari adanya sentakan listrik atau transient voltage. Sistem pentanahan yang efektif akan meminimalkan efek tersebut. Konduktor/hantaran pentanahan (ground grid) dan batang pentanahan (ground rod) adalah salah satu komponen utama dalam instalasi sistem pentanahan, ground grid yang berperan untuk menyalurkan arus dari satu bagian ke bagian lain, harus jenis penghantar yang baik, kuat secara mekanis dan dilindungi untuk menjaga kemungkinan gangguan mekanis yang dapat menyebabkan turunnya daya hantar ataupun terputus. Ground rod adalah penghantar yang ditanam dalam tanah dan sebagai kontak langsung dengan tanah yang diusahakan sampai mencapai titik air tanah. Bahan umum ground grid dan ground rod yang digunakan adalah jenis tembaga dan aluminium. Bahan yang banyak digunakan untuk instalasi sistem pentanahan adalah jenis tembaga (Copper). Namun karena harga tembaga yang tinggi dan tidak stabil bahkan cenderung naik, maka jenis alumunium bisa dimanfaatkan sebagai bahan alternatif untuk instalasi sistem pentanahan. Lagipula, jenis tembaga sering dicuri karena bahannya dapat dimanfaatkan untuk pembuatan berbagai produk lain. Aluminium merupakan konduktor listrik yang baik. Namun dalam banyak hal, kebanyakan digunakan pada kabel bertegangan tinggi. Untuk sistem pentanahan sekarang ini kebanyakan masih menggunakan jenis tembaga, maka perlu adanya analisa penggunaan ground grid dan grounding rod dengan jenis aluminium sebagai bahan alternatif yang akan digunakan dimasa yang akan datang dan juga dari segi efisiensi biaya yang dapat meningkatkan margin perusahaan. Jika implementasi tersebut berhasil diterapkan, maka bukan tidak mungkin menjadi terobosan yang luar biasa dalam bidang konstruksi. 1.2. Maksud dan Tujuan Adapun maksud dan tujuan dari dibuatnya makalah dengan judul KOMPARASI PENGGUNAAN KONDUKTOR TEMBAGA DAN ALUMUNIUM UNTUK SISTEM PENTANAHAN adalah sebagai berikut: 1. Mengetahui sifat-sifat material jenis tembaga dan aluminium. 2. Menganalisa perbandingan penggunaan konduktor pentahanan (ground grid) dan batang pentanahan (ground rod) antara jenis tembaga dan aluminium secara teknis maupun dari kondisi lingkungan. 3. Menganalisa biaya dari penggunaan konduktor pentanahan (ground grid) dan batang pentanahan (ground rod) dengan jenis aluminium sebagai bahan alternatif. II. Dasar Teori 2.1. Bahan Konduktor Semua bahan yang dapat mengalirkan arus dengan mudah dinamakan konduktor, contohnya tembaga, aluminium dll. Bahan
konduktor yang digunakan untuk saluran listrik dan kabel harus mempunyai rugi daya yang kecil ketika dialiri arus yang besar (untuk kabel yang mana rugi daya dan temperaturnya harus kecil). 2.2. Konduktivitas dan Resistivitas Resistifitas volume, atau sederhananya adalah resistifitas (tahanan), dari suatu bahan adalah tahanan antara dua permukaan yang berbeda paralel permukaan pada bagian bahan konduktor yang mempunyai panjang satu satuan (1m) dan luas permukaan (1m2 ). Resistifitas bahan dinyatakan dengan ρ, dengan satuan adalah Ωm. Tahanan konduktor adalah dinyatakan dengan R yaitu : Dimana : R adalah tahanan dari bahan dalam Ohm (Ω) ρ adalah resistivitas bahan dalam ohm-m L panjang dari penghantar dalam m A adalah luas penampang penghantar dalam m 2 2.3. Konduktivitas Bahan Dengan kata lain, konduktivitas dari bahan adalah suatu sifat dari bahan yang dapat menghantarkan arus listrik. Hal ini adalah kebalikan dengan tahanan dan satuannya dinyatakan dengan mho. Konduktivitas dari bahan adalah konduktansi antar permukaan yang berlawanan dari bahan yang mempunyai satuan panjang (1m) dan luas penampang (1m2). Konduktansi dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut : a. Temperatur Dimana : Rt = Tahanan dari Konduktor pada saat t 0 C Ro = Tahanan dari Konduktor pada saat 0 0 C α = Koefisien temperatur dari tahanan per 0 C pada 0 0 C t = Temperatur 0 C Untuk bahan logam murni dan campuran grafit antara tahanan dan temperatur adalah merupakan garis lurus, dengan batasan temperatur antara 0ºC sampai 100ºC. Bila tahanan mempunyai harga Ro pada 0ºC, kemudian pada tahanan akan naik dengan harga sekitar x, sudut X/Ro dinamakan dengan koefisien temperatur dari bahan logam dan biasanya dinyatakan dengan simbol αo, kemudian αo adalah fraction dari tahanan pada 0ºC dengan kenaikan tahanan dan kenaikan temperatur 1ºC kenaikan tahanan untuk temperatur yang berubah ke tºc diberikan akhiran Xt. Yang mana tahanan pada tºc adalah jumlah tahanan pada 0ºC dan penambahan dari tahanan yaitu : Tabel 2.1. Sifat Fisik dari Logam 2.4. Faktor yang Mempengaruhi Resistivitas Penghantar
b. Sifat Bahan Dengan Resistifitas Rendah Bahan dengan resistifitas rendah pada umunya digunakan pada penghantar untuk perumahan, saluran transmisi dan distribusi, pada lilitan motor, generator dan transformer, serta pada bagian konektor rangkaian elektronika. Bahan ini digunakan pada semua pengguna dengan rugi daya dan rugi tegangan serendah mungkin. Tembaga adalah bahan yang sangat banyak penggunaannya, sebagai konduktor pada rangkaian elektronika. Banyak kawat yang terbuat dari tembaga. Tembaga adalah suatu konduktor yang baik dan sangat mudah untuk penyambungannya. Aluminium adalah penghantar yang baik, tetapi tidak sebaik tembaga. Bahan ini banyak digunakan pada transformator tenaga dan saluran transmisi dibandingkan pada bagian rangkaian elektronikanya. Tabel 2.2. Persentase Konduktivitas dari Beberapa Bahan. disbanding dengan yang resistifitasnya rendah. Tabel 2.3. Tabel Sifat Dari Tembaga dan Campuran e. Aluminium Aluminium pada umumnya dibuat dengan proses elektrolisa dari aluminium oksid (Al2O3) yang dicampur dengan cryolite (ALF3 3NαF). Aluminium yang diambil dari proses mengandung sekitar 99,5 sampai 99,8% dan umumnya terdiri dari Fe, Cu, Si, Ti, Mn seperti kemurnian bahan. Tabel 2.3. Sifat dari Aluminium dan Aluminium Campuran c. Tembaga Tembaga pada umumnya dicari dengan proses penyulingan sulfide seperti Cu, FeS 2, tembaga yang dikerjakan diproses ini merupakan tembaga hitam d. Campuran Tembaga Seperti pada tembaga murni juga punya sifat yang baik seperti pada penghantar yang resistifitasnya rendah. Kekuatan mekanis lebih baik f. Potensi Timbulnya Tegangan Sentuh Gardu induk merupakan salah satu bagian dari sistem tenaga listrik yang mempunyai kemungkinan sangat besar mengalami bahaya yang disebabkan oleh timbulnya gangguan sehingga arus gangguan itu mengalir ke tanah melalui peralatan, sebagai akibat isolasi peralatan yang tidak berfungsi dengan baik. Arus gangguan tersebut akan mengalir pada bagian-bagian peralatan yang
terbuat dari metal dan juga mengalir dalam tanah di sekitar gardu induk. Arus gangguan ini menimbulkan gradien tegangan diantara peralatan dengan peralatan, peralatan dengan tanah, dan juga gradien tegangan pada permukaan tanah itu sendiri. Besarnya gradien tegangan pada permukaan tanah tergantung pada tahanan jenis tanah atau sesuai dengan struktur tanah tersebut. Salah satu usaha untuk memperkecil tegangan permukaan tanah maka diperlukan suatu pentanahan yaitu dengan cara menambahkan elektroda pentanahan yang ditanam ke dalam tanah. Oleh karena lokasi peralatan listrik (gardu induk) biasanya tersebar dan berada pada daerah yang kemungkinannya mempunyai struktur tanah berlapislapis, maka diperlukan perencanaan pentanahan yang sesuai, dengan tujuan untuk mendapatkan tahanan pentanahan yang kecil, sehingga tegangan permukaan yang timbul tidak membahayakan baik dalam kondisi normal maupun saat terjadi gangguan ke tanah. Pentanahan peralatan adalah penghubungan bagian-bagian peralatan listrik yang pada keadaan normal tidak dialiri arus. Tujuannya adalah untuk membatasi tegangan antara bagianbagian peralatan yang tidak dialiri arus dan antara bagian-bagian ini dengan tanah sampai pada suatu harga yang aman untuk semua kondisi operasi baik kondisi normal maupun saat terjadi gangguan. Sistem pentanahan ini berguna untuk memperoleh potensial yang merata dalam suatu bagian struktur dan peralatan serta untuk memperoleh impedansi yang rendah sebagai jalan balik arus hubung singkat ke tanah dengan batangbatang pentanahan (rods). Bila arus hubung singkat ke tanah dipaksakan mengalir melalui tanah dengan tahanan yang tinggi akan menimbulkan perbedaan tegangan yang besar dan berbahaya. Pada saat terjadi gangguan, arus gangguan yang dialirkan ke tanah akan menimbulkan perbedaan tegangan pada permukaan tanah yang disebabkan karena adanya tahanan tanah. Jika pada waktu gangguan itu terjadi seseorang berjalan di atas switchyard sambil memegang atau menyentuh suatu peralatan yang diketanahkan yang terkena gangguan, maka akan ada arus mengalir melalui tubuh orang tersebut. Arus listrik tersebut 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 switchyard tanpa menyentuh peralatan. Arus ini yang membahayakan orang dan biasanya disebut arus kejut. Berat ringannya bahaya yang dialami seseorang tergantung pada besarnya arus listrik yang melalui tubuh, lamanya arus tersebut mengalir dan frekuensinya. III. Metodologi a. Nilai minimum tahanan pentanahan
b. Batas Atas Tahanan didapat c. Rumus Pendekatan Yang Diberikan oleh Sverak d. Rumus Schwarz e. Menentukan Arus Maksimum ke Pentanahan f. Arus Maksimum Yang Masuk ke jarring pentanahan IV. Pembahasan Proyek relokasi Depot LPG Tanjung Priok berikut sarfas penunjangnya merupakan konsekuensi adanya proyek jalan tol akses Tanjung Priok, sehingga Pertamina harus merelokasi tangki LPG beserta sarfas eksisting dan oleh sebab operasi Depot LPG yang melayani distribusi LPG tidak terganggu maka perlu dibangun tangki baru beserta sarfasnya. Adapun data acuan yang digunakan sebagai berikut : Tegangan sistem = 20 kv Tahanan jenis permukaan batu koral (Rho s) = 8534.4 Ohm-m Arus gangguan maksimum (If) = 14.078 ka Waktu gangguan (tf) = 1 detik Panjang grounding rod (S) = 3 m Ketebalan lapisan koral (hs) = 0,1 m Jenis Konduktor = Copper commercial hard drawn = Aluminium alloy Diameter konduktor = 10.5 mm (Copper) = 12.5 mm (Aluminium) Sistem pentanahan yang digunakan untuk melindungi objek peralatan di Depot LPG Tanjung Priok adalah tipe elektroda gabungan agar mendapatkan keandalan yang lebih baik. Dengan menggunakan tabel 2 IEEE 80-20002 copper commercial hard drawn Kf = 7 dan fault duration (tf) = 1 detik sedangkan aluminium alloy Kf = 12,41 dan fault duration (tf) = 1 detik, maka : If didapat = 14,078 ka Akcmil Cu = If x Kf x = 14,078 x 7 x 1 = 98,546 kcmil = 49,92 mm 2 Akcmil Al = If x Kf x = 14,078 x 12.41 x 1 = 168,936 kcmil = 85,58 mm 2 Berdasarkan perhitungan di atas maka dipilih konduktor tembaga 70 mm 2 sedangkan konduktor aluminium 95 mm 2 Dari perbandingan perhitungan diatas maka secara teknis sistem pentanahan menggunakan material jenis aluminium sama dengan menggunakan material tembaga yaitu didapat resistansi tanah 1.95 Ohm yang sudah memenuhi syarat dari pertamina kurang dari 2 Ohm, perbedaannya hanya pada hasil perhitungan tegangan sentuh, material jenis aluminium tegangan sentuhnya lebih rendah sedangkan untuk perhitungan tegangan langkah antara kedua jenis material pentanahan sama sebesar 6.91 Volt. Untuk mencapai kuat hantar arus yang sama dengan material konduktor jenis tembaga maka ukuran konduktor jenis aluminium lebih besar.
bisa dijadikan sebagai alternatif pengganti material tembaga. Dari pembahasan biaya diatas maka secara ekonomis harga konduktor lebih murah dibandingkan dengan harga konduktor aluminium, selisihnya Rp 240,473,600. Total harga untuk material tembaga adalah Rp 336,080,600 sedangkan total harga material aluminium adalah Rp 95,607,000, maka efisiensinya adalah 71.55 %. Dari kondisi lingkungan material jenis aluminium bisa diaplikasikan untuk konduktor dan batang pentanahan untuk sistem pentanahan. Dari perhitungan biaya diatas maka secara ekonomis harga konduktor lebih murah dibandingkan dengan harga konduktor aluminium, selisihnya Rp 240,473,600. Total harga untuk material tembaga adalah Rp 336,080,600 sedangkan total harga material aluminium adalah Rp 95,607,000. Maka efisiensinya adalah sebagai berikut : Efisiensi = (( 336,080,600 95,607,000 ) / 336,080,600) x 100% = 71.55 % V. Kesimpulan dan Saran Dari perhitungan dengan panjang yang sama antara tembaga 70 mm2 dengan aluminium 95 mm2 maka didapat hasil yang sama yaitu tahanan tanah 1.951 Ohm dan tegangan langkah 69.1 Volt. Sedangkan hasil perhitungan tegangan sentuh terjadi perbedaan, dengan menggunakan material tembaga didapat 248.3 Volt dan menggunakan material aluminium didapat 243 Volt. Dilihat berdasarkan hasil perhitungan pentanahan antara material jenis tembaga dengan aluminium secara teknis tidak ada perbedaan. Sehingga material aluminium VI. Daftar Pustaka 1. Arismunandar, A., dan Kuwarahara,S., Buku Pegangan Teknik Tenaga Listrik, Jilid II Gardu Induk, Pradnya Paramita, Jakarta, 1997. 2. Hutauruk, T.S., Pengetanahan Netral Sistem Tenaga dan Pengetanahan Peralatan, Erlangga, Jakarta, 1987. 3. Stevenson, W.D., dan Idris, K., Analisis Sistem Tenaga Listrik, Erlangga, Jakarta, 1996. 4. Pabla, A.S., and Hadi, A., Sistem Distribusi Daya Listrik, Erlangga, Jakarta, 1996. 5. Dawalibi, F., and Mukhedhar, D., Soil Effects on Ground Fault Currents, IEEE Transactions on Power Apparatus and System, Vol. PAS-100, No. 7, 1981. 6. NPFA 70, National Electrical Code 2002 Edition, An International Electrical Code TM Series, 2002. 7. Sverak, J.G, IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding, American National Standard Institute, 1985. 8. IEEE Std 80 2000 Guide for Safety in AC Substation Grounding, New York
Lampiran : Perhitungan Pentanahan Area Gardu Listrik Dengan Material Tembaga 70 mm 2
Lampiran II: Perhitungan Pentanahan Area Gardu Listrik Dengan Material Aluminium 95mm 2