BAB II SISTEM PEMBUMIAN INSTALASI RUMAH TANGGA II.1 Umum 2 Instalasi listrik merupakan susunan perlengkapan-perlengkapan listrik yang saling berhubungan serta memiliki ciri terkoordinasi untuk memenuhi satu atau sejumlah tujuan tertentu. Instalasi listrik terdiri atas sistem penerangan, sistem pensaklaran, sistem pengkabelan, sistem pembumian dan sistem lain yang yang dibutuhkan. Instalasi listrik dapat berupa sebuah instalasi yang sederhana yang hanya terdiri atas satu titik atau satu instalasi listrik yang rumit dan kompleks. Sistem pembumian merupakan bagian dari sebuah instalasi listrik. Sistem pembumian adalah sistem yang dirancangkan sedemikian rupa untuk menghubungkan bagian konduktif terbuka dari peralatan-peralatan listrik yang dipakai dengan bumi sebagi referensi tegangan nol, pembuatan sistem pembumian ini bertujuan untuk menghindarkan manusia dari kejut listrik apabila tersentuh bagian konduktif terbuka yang bertegangan. Bagian konduktif ini bisa bertegangan apabila instalasi listrik mengalami kegagalan isolasi sehingga kawat phasa terhubung dengan bagian konduktif tertentu. Sistem pembumian terdiri dari beberapa sistem sesuai dengan cara pemasangannya. Sistem-sistem tersebut adalah sistem TT, Sistem TN yang terdiri dari TN-C,TN-S, dan TN-CS, serta sistem IT. Pembahasan lebih lanjut untuk sistem yang dipakai pada instalasi rumah tangga akan dibahas pada pembahasan berikutnya.
Sistem pembumian terdiri dari beberapa perlengkapan listrik berupa penghantar pembumian dan elektroda pembumian. Pemasangan sistem pembumian sangat tergantung pada kondisi lingkungan dimana sistem pembumian dibuat, sehingga sebuah sistem pembumian tidak bisa disamakan di semua tempat, misalkan tempat dengan jenis tanah lembab dan kering pasti akan sangat berbeda usaha-usaha yang dilakukan supaya sistem yang dibuat sesuai dengan standar yang ditetapkan. II.2 Instalasi Listrik Rumah Tangga 2 Instalasi Listrik rumah tangga yang dimaksudkan adalah instalasi listrik dalam bangunan yang digunakan sebagai tempat tinggal. Pada dasarnya kebutuhan instalasi rumah tangga tergantung kepada kebutuhan listrik rumah tangga tersebut. Instalasi rumah tangga dapat hanya berupa instalasi listrik yang sederhana yang hanya terdiri dari satu titik maupun instalasi listrik yang kompleks. Instalasi listrik rumah tangga secara umum adalah untuk kebutuhan penerangan dan kebutuhan sumber tenaga listrik untuk peralatan-peralatan listrik yang digunakan, seperti pemanas makanan, setrika listrik, dll. Untuk memenuhi tujuan ini beberapa perlengkapan listrik yang umum dipakai adalah: 1. Pipa Instalasi 2. Sakelar 3. Kotak kontak 4. Papan Hubung Bagi (PHB) 5. Kabel
6. Fitting 7. Sekering dan MCB 8. Perlengkapan Pembumian. Gambar 2.1 menunjukkan skema instalasi listrik dari sebuah rumah sederhana yang terdiri atas 2 kamar tidur, 1 ruang tamu, 1 ruang keluarga, 1 dapur, 1 kamar mandi, dan taman. Simbol-simbol yang digunakan pada Gambar 2.1 dijelaskan sebagai berikut: Sakelar dua kutub Sakelar 1 Kutub Lampu Kotak kontak Papan hubung bagi (PHB)
Gambar 2.1 Skema instalasi listrik sederhana.
II.3 Pembumian Instalasi Rumah Tangga 6,7,9 Di dalam PUIL 2000 disebutkan bahwa pada instalasi listrik ada dua jenis resiko utama yaitu: a. Arus kejut listrik b. Suhu berlebihan yang sangat mungkin mengakibatkan kebakaran, luka bakar atau efek cedera listrik. Untuk mengindarkan manusia ataupun ternak dari bahaya yang timbul karena sentuhan dengan bagian aktif instalasi listrik maka dapat dilakukan cara-cara berikut: a. Mencegah mengalirnya arus melalui badan manusia atau ternak. b. Membatasi arus yang dapat mengalir melalui badan manusia sampai suatu nilai yang lebih kecil dari arus kejut. c. Pemutusan suplai secara otomatis dalam waktu yang ditentukan pada saat terjadi gangguan yang sangat mungkin menyebabkan mengalirnya arus melalui manusia yang bersentuhan dengan body peralatan, yang nilai arusnya sama dengan atau lebih besar dari arus kejut listrik. Untuk mengetahui sejauh mana tubuh manusia sanggup menahan aliran listik dan akibat-akibat yang ditimbulkan, Tabel 2.1 di bawah memperlihatkan batasan batasan tersebut, ini berguna sebagai informasi sehingga seorang perancang maupun instalateur dapat merancangkan suatu instalasi yang aman bagi manusia maupun ternak.
Tabel 2.1: Batasan-batasan arus dan pengaruhnya terhadap manusia Besar Arus (ma) Pengaruh Pada Tubuh Manusia 0-0,9 Belum dirasakan pengaruhnya, tidak menimbulkan reaksi apa-apa 0,9-1,2 Baru terasa adanya arus listrik, tetapi tidak mengakibatkan kejang, kontraksi atau kehilangan kontrol. 1,2-1,6 Mulai terasa seakan-akan ada yang merayap di dalam tangan 1,6-6 Tangan sampai ke siku merasa kesemutan 6-8 Tangan mulai kaku,rasa kesakitan makin bertambah 13-15 Rasa sakit tidak tertahankan, penghantar masih dapat dilepaskan dengan gaya yang besar sekali 15-20 Otot tidak sanggup lagi melepaskan penghnatar 20-50 Dapat mengakibatkan kerusakan pada tubuh manusia 50-100 Batas arus yang dapat menyebabkan kematian Untuk memenuhi tujuan keamanan yang telah diebutkan di atas maka di dalam bangunan yang digunakan sebagai tempat tinggal dapat dibuat sebuah sistem pembumian. Sistem pembumian yang umum digunakan adalah sistem pembumian TT. Huruf T pertama adalah singkatan dari kata terre yang berasal dari Bahasa Perancis yang mengandung pengertian bahwa hubungan sistem tenaga listrik ke bumi adalah hubungan langsung satu titik ke bumi. Sedangkan huruf T kedua menjukkan hubungan BKT instalasi ke bumi dan mengandung arti hubungan listrik
langsung ke bumi, yang tidak tergantung pembumian setiap titik tenaga listrik. Gambar 2.2 memperlihatkan sebuah sistem pembumian dengan sistem TT. Transformator Pensuplai R S T N Instalasi P N E Elektroda Pentanahan Netral Bumi Elektroda Pentanahan Konsumen Gambar 2.2 Sistem pembumian TT II.4 Tahanan Pembumian 5 Tahanan pembumian adalah hambatan yang dialami oleh arus ketika mengalir ke tanah. Arus ini mengalir menuju tanah melalui elektroda pembumian yang ditanam atau ditancapkan ke dalam tanah pada ke dalam tertentu. PUIL 2000 mendefenisikan tahanan pembumian sebagai jumlah tahanan elektroda pembumian dan tahanan penghantar pembumian. Tahanan ini terdiri dari tahanan yang disebabkan penghantar logam dan tanah. Tahanan yang ditimbulkan penghantar sangan kecil sehingga dapat diabaikan. Tahanan yang paling besar adalah tahanan yang ditimbulkan oleh tanah.
Suatu tanah memiliki nilai tahanan jenis yang bervariasi tergantung pada jenis tanah, kelembapan, komposisi garam-garam mineral di dalam tanah, dan suhu. Saat sebuah elektroda dilalui oleh arus maka arus akan menyebar ke segala arah seperti terlihat pada Gambar 2.3. I Gambar 2.3 Sebaran Arus dari Elektroda Arus akan mengalir menuju tegangan nol yaitu di titik tak terhingga. Apabila kedalaman elektroda dibandingkan dengan jari-jari yang tak terhingga maka elektroda batang dapat dianggap sebagai sebuah bola yang memiliki pusat yang sama dengan sebuah bola yang memiliki jari-jari yang sangat besar, seperti Gambar 2.4. dr r ro Gambar 2.4 Ekivalensi Elektroda untuk Perhitungan Tahanan Pembumian
Tahanan yang dimiliki lapisan tanah yang merupakan bola dengan jari-jari r dan r+dr pada Gambar 2.4 dapat dihitung dengan Persamaan 2.1. Dengan menganggap bahwa jarak r berada di jauh tak hingga maka tahanan tanah dengan elektroda yang memiliki jari-jari r o menjadi seperti Persamaan 2.2. 2.1 2.2 Dimana R = Tahanan Tanah r = Jari-jari bola luar (m) r o = Jari-jari/ panjang elektroda (m) = Tahanan jenis tanah ( Ohm-m) Jika nilai tahanan pentanahan terlalu besar maka untuk memperkecilnya dapat menggunakan material khusus yang ditanam di dalam tanah yaitu bentonit. Secara tradisional dapat menggunakan garam atau arang. Beberapa jenis tanah yang nilai tahanan jenisnya dicantumkan dalam PUIL 2000 dapat dilihat pada Tabel 2.2
Tabel 2.2 Tahanan Jenis Tanah Jenis Tanah Tahanan Jenis (Ω-m) Tanah Rawa 30 Tanah Liat dan Tanah Ladang 100 Pasir Basah 200 Kerikil basah 500 Pasir dan kerikil kering 1000 Tanah Berbatu 3000 Beberapa hal lain yang mempengaruhi nilai tahanan pembumian yaitu: a. Jenis Elektroda Pembumian Jenis elektroda pembumian berkaitan dengan tahanan jenis elektroda tersebut. Misalkan elektroda berbahan dasar aluminium dibandingkan dengan elektroda berbahan dasar tembaga yang memiliki luas penampang dan panjang yang sama. Nilai tahanan elektroda aluminium akan lebih besar dibandingkan dengan elektroda berbahan dasar tembaga. Karena tahanan jenis aluminium lebih besar dibanding tahanan jenis tembaga. Dimana aluminium memiliki tahanan jenis 0.0283 x 10-6 Ωm dan tembaga 0.0177 x x 10-6 Ωm. Tetapi karena nilainya yang sangat kecil maka pengaruh dari tahanan jenis diabaikan.
b. Kedalaman elektroda dan luas penampang elektroda Semakin dalam elektroda tertanam dan semakin besar luas penampang elektroda yang bersentuhan dengan tanah sehingga nilai tahanan pembumian akan semakin kecil karena semakin besar permukaan yang bersentuhan dengan tanah. c. Bentuk elektroda Beberapa bentuk elektoda pembumian adalah sebagai berikut 1. Elektroda pita Elektroda pita dibuat dari penghantar berbentuk pita atau penampang bulat, atau penghantar pilin yang pada umumnya ditanam secara dangkal. Ukuran minimum elektroda pita adalah 2mm 2 dan tebalnya 2 mm atau penghantar pilin 35 mm 2. Berbagai bentuk elektroda pita dapat dilihat pada Gambar 2.5 h = 0.5-1 m h = 0.5-1 m 60 d D Cabang Enam (a) Cincin (b)
h = 0.5-1 m Disk (c) Gambar 2.5 Bentuk Elektroda Pita (a) Cabang enam, (b) Cincin, (c) Disk Tahanan pembumian masing-masing bentuk adalah sebagai berikut: - Cabang enam - Cincin 2.3 - Disk 2.4 2.5 Dimana R p = Tahanan pembumian Elektroda (Ω) l = Panjang pita (m) D = Diameter cincin d = Diameter cincin elektroda
2. Elektroda pelat Elektroda pelat terbuat dari besi dengan ukuran minimum tebal 3 mm, luas 0.5 m 2-1 m 2 atau pelat tembaga dengan tebal 2 mm, luas 0.5 m 2-1 m 2 yang ditanam secara vertical dengan sisi atas ± 1 m di bawah permukaan tanah seperti ditunjukkan pada Gambar 2.6 h = 1 m Pelat Gambar 2.6 Elektroda pelat Tahanan pembumian Elektroda pelat adalah: 3. Elektroda batang 2.6 Elektroda ini dapat dibuat dari pipa besi, baja profil,batang tembaga, atau batang logam lainnya. Elektroda dipancangkan ke tanah sedalam l meter seperti Gambar 2.7. l Gambar 2.7 Elektroda Batang
Tahanan elektroda pembumian elektroda batang adalah: Dimana a adalah jari-jari elektroda batang. Bentuk elektroda yang umum dipakai pada sistem pembumian instalasi rumah tangga adalah bentuk elektroda batang. 2.7 II.5 Persyaratan Pembumian 4 Menurut PUIL 2000 ada bebarapa persyaratan dalam instalasi sistem pembumian. Syarat-syarat tersebut adalah sebagai berikut: a. Warna Penghantar Pembumian Penghantar proteksi diberi warna loreng hijau kuning sebagai pengenal, termasuk penghantar proteksi yang merupakan salah satu inti dari kabel dan kabel tanah. Pengecualiannya adalah terhadap penghantar geser jika penghantarnya dapat dikenal dengan jelas, misalnya melalui bentuknya dan tulisan yang ada padanya. b. Luas Penghantar pembumian Luas penampang penghantar proteksi tidak boleh kurang dari nilai yang tercantum dalam Tabel 2.3 di bawah. Tabel 2.3 Ukuran Penampang Penghantar Pembumian Luas Penampang Penghantar phasa instalasi S (mm 2 ) Luas Penampang Minimum Penghantar Proteksi Yang Berkaitan S p (mm 2 ) S 16 S 16 S 35 16 S> 35 S/2
Sumber: PUIL 2000, hal 80 Tabel ini hanya berlaku jika penghantar proteksi dibuat dari bahan yang sama dengan penghantar phasa. Jika bahannya tidak sama, maka luas penampang penghantar proteksi ditentukan dengan cara memilih luas penampang yang mempunyai konduktansi yang ekivalen dengan hasil dari Tabel. Luas penampang setiap penghantar proteksi yang tidak merupakan bagian dari kabel suplai atau selungkup kabel, dalam setiap hal tidak boleh kurang dari 2,5 mm 2 jika terdapat proteksi mekanis dan 4 mm 2 jika tidak terdapat proteksi mekanis. c. Ukuran Elektroda Ukuran mimimum elektroda dapat dipilih menurut Tabel 2.4. Tabel 2.4 Ukuran Elektroda Pembumian No 1 2 Bahan jenis elektroda Elektroda pita Elektroda batang 1 2 3 Baja digalvanisasi dengan proses pemanasan Pita baja 100 mm 2 setebal minimum 3 mm Penghantar pilin 95 mm 2 (bukan kawat halus) - Pipa baja 25 mm 2 - Baja profil (mm) L 65 mm 2 x65x7 U 6,5 T 6x50x3 - Batang Profil lain yang setaraf Baja berlapis tembaga Tembaga 50 mm 2 Pita tembaga 50 mm 2 tebal minimum 2 mm Baja berdiameter 15 mm dilapisi tembaga setebal 250 µm Penghantar pilin 35 mm 2 (bukan kawat halus) 3 Elektroda pelat Pelat besi tebal 3 mm luas 0,5 m 2 Pelat tembaga tebal 2mm luas 0,5 m 2 sampai
1 m 2 Sumber: PUIL 2000, hal 82 d. Nilai Tanahan Pembumian Untuk sistem pembumian rumah tangga kondisi berikut harus terpenuhi. Dimana : 2.8 R a Ia = Besar tahanan pembumian = Arus listrik yang menyebabkan operasi otomatis dari gawai proteksi yang tergantung dari jenis dan karakteristik gawai proteksi yang digunakan. Dalam hal ini gawai dengan karakteristik waktu terbalik (invers) yaitu pengaman lebur (PL atau sekering) atau pemutus sirkit (misalnya MCB) dan Ia haruslah arus yang menyebabkan bekerjanya gawai proteksi dalam waktu 5 detik. e. Persyaratan lain Penghantar aluminium tanpa perlindungan mekanis tidak diperkenankan dipakai sebagai penghantar bumi Penghantar bumi harus dilindungi jika menembus langit-langit atau dinding, atau berada di tempat dengan bahaya kerusakan mekanis. Pada penghantar bumi harus dipasang sambungan yang dapat dilepas untuk keperluan pengujian resistans pembumian, pada tempat yang mudah dicapai, dan sedapat mungkin memanfaatkan sambungan yang karena susunan instalasinya memang harus ada. Sambungan penghantar bumi dengan elektroda bumi harus kuat secara mekanis dan menjamin hubungan listrik dengan baik, misalnya dengan menggunakan las,
klem, atau baut kunci yang tidak mudah lepas. Klem pada elektroda pipa harus menggunakan baut dengan diameter minimal 10 mm. II.6 Metode Pengukuran Tahanan Pembumian 1,4 Nilai tahanan pembumian merupakan suatu syarat aman tidaknya suatu sistem pembuamian yang dibuat. Untuk mengetahui nilai Tahanan Pembumian ini maka dapat dilakukan beberapa metode untuk mengukurnya, metode-metode tersebut adalah sebagai berikut. a. Metode Von Werner Metode ini disebut juga dengan metode empat batang karena menggunakan empat elektroda dalam pengukurannya. Skema pengukuran dengan metode ini terlihat pada Gambar 2.8 1 2 3 4 a a a Gambar 2.8 Metode Pengukuran Von Werner
Cara pengukuran dilakukan dengan terlebih dahulu mengatur jarak antar elektroda. Seperti terlihat pada gambar, jarak antar elektroda adalah sejauh a meter, sehingga jarak antara terminal secara berurut adalah sama. Setelah dibuat rangkaian seperti gambar maka proses pengukuran dapat dikerjakan. Peralatan ukur akan mengalirkan arus melalui terminal 1 dan 4 lalu susut tegangan pada terminal 2 dan 3 akan diukur. Jika beda tegangan antara elektroda 2 dan 3 adalah V, dan arus yang dialirkan melalui elektroda 1 dan 4 adalah I, maka perbandingan ini adalah Nilai tahanan pentanahan R. sesuai dengan Persamaan 2.9 2.9 b. Pengukuran dengan Volt meter dan Amperemeter Cara pengukuran adalah seperti terlihat pada Gambar 2.9. Penghantar pembumian dihubungkan dengan penghantar phasa instalasi melalui gawai proteksi arus lebih, sakelar, tahanan yang dapat diatur dari Ω sampai 20 1000Ω, dan Amperemeter. Antar titik sirkit setelah amperemeter dengan elektroda bumi bantu dipasang voltmeter. Jarak elektroda bantu disesuaikan dengan jenis elektroda yang digunakan. Jika elektroda batang atau pipa maka elektroda bantu harus berjarak sekurang-kurangnya 20 meter dari elektroda yang akan diukur. Pada saat sakelar dimasukkan, tahanan tersebut harus dalam keadaan maksimum. Setelah sakelar dimasukkan, tahanan diatur sedemikian rupa hingga amperemeter dan voltmeter menunjukkan simpangan secukupnya sesuai dengan apa
yang diharapkan oleh operator. Hasil bagi dari tegangan dan arus yang ditunjukkan oleh alat ukur tersebut adalah tahanan pembumian yang diukur. Persamaan matematiknya seperti pada Persamaan 2.9. Fuse Tahanan Variabel Gambar 2.9 Metode pengukuran dengan voltmeter dan amperemeter c. Pengukuran dengan menggunakan Earthtester. Pengukuran dengan Earthtester ini menggunakan dua buah elektroda bantu, dan pengukurannya lebih mudah dilakukan dibandingkan dengan dua metode yang telah disebutkan terdahulu. Pengukuran dilakukan dengan terlebih dahulu menentukan
jarak antara elektroda pembumian dengan elektroda bantu, jarak yang umum digunakan berkisar 5-10 meter. Pegukuran dengan metode ini dapat dilihat pada Gambar 2.10. l l Permukaan Tanah Elektroda Pembumian Elektroda Bantu Hijau E P C Kuning Merah B V R SW Gambar 2.10 Pengukuran dengan Earthtester Setelah elektroda bantu ditancapkan di tanah pada kedalaman sekitar 30 cm maka elektroda dihubungkan dengan alat ukur dengan menggunakan kabel yang sudah ditentukan. Ada tiga warna kabel yaitu hijau, kuning dan merah. Kabel warna hijau salah satu ujungnya dihubungkan dengan terminal earth pada alat ukur dengan simbol E dan ujung satu lagi dihubungkan dengan elektroda pembumian.kabel warna kuning dihubungkan dengan terminal P (potential) pada alat ukur dan ujung yang lain dihubungkan dengan elektroda bantu yang paling dekat ke elektroda utama. Kabel warna merah dihubungkan ke termina dengan simbol C (Current) pada alat ukur dan ujung yang lain dihubungkan dengan elektroda bantu yang paling jauh dari
elektroda bantu. Instrumen ukur adalah earthtester dan dapat digantikan dengan peralatan lain yang dapat melakukan fungsi yang sama dengan earthtester. Gambar alat-alat yang digunakan dengan metode ini dapat dilihat pada lampiran A. Setelah semuanya terangkai dengan benar maka pengukuruan dapat dilakukan tetapi perlu diperhatikan dahulu apakah baterai masih baik atau tidak dan besar tegangan rangkaian dengan memilih selector yang tersedia di peralatan. Apabila semua dalam kondisi baik maka pengukuran tahanan pembumian dapat dilakukan dengan menekan tombol sw pada peralatan setelah terlebih dahulu memindah selector ke sebalah symbol Ω, la lu memutar piringan penunjuk besar hambatan sampai jarum penunjuk telah menunjuk angka nol. dan nilai yang ditunjukkan oleh piringan yang diputar tersebut adalah nilai tahanan pembumian yang terukur. Pengukuran dengan earthtester menggunakan prinsip jembatan wheathstone. Seperti pada Gambar 2.11 berikut. Is b Ix Rs Is Rx a d Ra G Rb Ib Ia c Gambar 2.11 Jembatan Wheathstone
Pada saat sakelar ditekan maka arus akan mengalir melalui galvanometer, sehingga jarum penunjuk galvanometer akan menunjukkan nilai tertentu. Jika nilai yang ditunjuk adalah nol berarti arus yang mengalir melalui galvanometer adalah nol. Prinsip jembatan wheathstone adalah membuat arus yang mengalir melalui galvanometer bernilai nol dengan mengubah nilai tahanan variabel R x, hal ini dilakukan dengan memutar piringan logam tahanan variabel pada earthtester sampai galvanometer menunjukkan nilai nol. Ketika nilai yang ditunjukkan pada galvanometer adalah nol maka nilai yang ditunjukkan pada piringan tahanan varibel tersebut adalah nilai tahanan pentanahan yang sedang diukur. Persamaannya terlihat pada Persamaan 2.10 berikut. 2.10