BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Definisi Sistem Pentanahan Sistem pentanahan merupakan sistem pengamanan terhadap perangkatperangkat yang mempergunakan listrik sebagai sumber tenaga, dari lonjakan listrik utamanya petir. [1] Sistem pentanahan digambarkan sebagai hubungan antara suatu peralatan atau sirkuit listrik dengan bumi. Pentanahan suatu peralatan listrik diharapkan dapat membatasi tegangan antara bagian-bagian dari suatu peralatan yang tidak dialiri arus dan antara bagian-bagian ini dengan tanah sampai pada suatu harga yang aman (tidak membahayakan) untuk semua keadaan, baik pada keadaan normal atau pada sat terjadi gangguan. Secara umum tujuan pentanahan adalah sebagai berikut: 1. Membatasi tegangan antara bagian-bagian peralatan yang tidak dialiri arus dan antara bagian-bagian ini dengan tanah sampai pada suatu harga yang aman (tidak membahayakan) untuk semua kondisi operasi normal atau tidak normal. 2. Memperoleh impedansi yang kecil/rendah dari jalan balik arus hubung singkat ke tanah. Apabila impedansi tinggi saat hubung singkat ke tanah terjadi akan menimbulkan perbedaan potensial yang besar dan berbahaya,
8 dapat menimbulkan busur listrik dan pemanasan yang cukup besar pada sambungan-sambungan rangkaian pentanahan. 3. Menjaga tingkat kinerja peralatan sehingga sistem dapat berjalan dengan baik, tanpa terganggu akibat adanya gangguan yang ditimbulkan oleh sistem pentanahan yang kurang baik. 4. Menyalurkan muatan-muatan yang disebabkan oleh petir ke bumi. 2.2 Bagian-bagian yang Ditanahkan [7] Bagian-bagian yang harus ditanahkan adalah: 1. Semua bagian instalasi yang terbuat dari logam (menghantar listrik) dan dapat tersentuh. Hal ini bertujuan agar potensial dari logam yang mudah disentuh manusia selalu sama dengan potensial tanah (bumi) tempat manusia berpijak sehingga tidak berbahaya bagi manusia yang menyentuhnya. 2. Bagian pembuangan muatan listrik (bagian bawah) dari arrester. hal ini bertujuan agar arrester dapat berfungsi dengan baik, yaitu membuang muatan listrik yang diterimanya dari petir ke tanah. 3. Kawat petir yang ada pada bagian atas saluran transmisi. Kawat petir ini berada di sepanjang saluran transmisi, semua kaki tiang transmisi harus ditanahkan agar petir yang menyambar kawat petir dapat disalurkan ke tanah melalui kaki tiang saluran transmisi. 4. Titik netral dari transformator atau titik netral dari generator. Tujuan dari pengetanahan titik netral adalah untuk membatasi besar arus gangguan tanah dan tegangan dari fasa-fasa yang tidak terganggu pada sistem yang
9 terdiri dari generator dan transformator. Pemilihan metode pengetanahan yang tepat dapat menghindarkan kerusakan pada peralatan sistem tenaga serta menghindarkan bahaya bagi keselamatan personil operasi dan pemeliharaan. 2.3 Tahanan Pentanahan Nilai tahanan pentanahan dipengaruhi oleh tahanan jenis tanah dan metode sistem pentanahannya. Pada penelitian ini sistem pentanahan yang digunakan adalah sistem driven rod, yaitu sistem pentanahan dengan cara menanam batang elektroda konduktor tegak lurus kedalam tanah. Persamaan untuk mencari nilai tahanan pentanahan pada sistem pentanahan driven road adalah sebagai berikut. = 1........................ (2.1) Dimana : = tahanan jenis tanah (ohm.m) = 3.14 atau (22/7) = panjang elektroda (m) = jari-jari elektroda (m) Tahanan tanah ini akan semakin besar nilainya bila berada didekat elektroda batang pentanahan dan semakin jauh dari elektroda batang semakin kecil nilai tahanan pentanahannya karena akan semakin tersebar arus yang mengalir di dalam tanah.
10 2.4 Tahanan Jenis Tanah (ρ) [8] Tahanan jenis tanah adalah sebuah faktor keseimbangan antara tahanan tanah dan kapasitansi disekitarnya yang di representasikan dengan ρ (rho) dalam sebuah persamaan matematik. Tahanan jenis tanah dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: ρ = 2π α R t................................ (2.2) dimana: = Tahanan jenis rata-rata tanah (ohm-meter) α = Jarak antara batang elektroda yang terdekat (meter) = Tahanan tanah terukur (ohm) Untuk memperoleh harga tahanan jenis tanah yang akurat diperlukan pengukuran secara langsung pada lokasi pembangunan karena struktur tanah yang sesungguhnya tidak sesederhana yang diperkirakan. Pada suatu lokasi tertentu sering dijumpai beberapa jenis tanah yang mempunyai tahanan jenis yang berbeda-beda (non uniform), contohnya seperti pada tabel 1. Tabel 1. Tahanan jenis tanah No. Jenis Tanah Tahanan jenis tanah (Ω.m) 1 Tanah Rawa 10-40 2 Tanah Pertanian 20-100 3 Pasir Basah 50-200 4 Kerikil Basah 200-3000 5 Kerikil Kering <1000 6 Tanah Berbatu 2000-3000 Sumber: PUIL 2000
11 2.5 Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Tahanan Jenis Tanah Beberapa faktor yang mempengaruhi tahanan jenis tanah antara lain: a. Kadar garam tanah Kandungan zat-zat kimia dalam tanah terutama sejumlah zat organik maupun anorganik yang dapat larut perlu untuk diperhatikan. Didaerah yang mempunyai tingkat curah hujan tinggi biasanya mempunyai tahanan jenis tanah yang tinggi disebabkan garam yang terkandung pada lapisan atas larut. Pada daerah yang demikian ini untuk memperoleh pentanahan yang efektif yaitu dengan menanam elektroda pada kedalaman yang lebih dalam dimana larutan garam masih terdapat. b. Pengaruh kandungan air (kelembaban) Kelembaban tanah sangat berpengaruh terhadap perubahan tanahan jenis tanah terutama kandungan air tanah sampai dengan 20%. Dalam salah satu test laboratorium untuk tanah merah penurunan kandungan air tanah dari 20% ke 10% menyebabkan tahanan jenis tanah sampai 30 kali. Kenaikan kendungan air tanah diatas 20% pengaruhnya sedikit sekali. Semakin lembab kadar air pada lapisan tanah tersebut semakin tinggi dan tahanan jenisnya akan semakin rendah. c. Pengaruh Temperatur Pengaruh temperatur pada tahanan jenis tanah sangat kecil sekali pada kondisi di atas titik beku air (0 o ), sedangkan untuk kondisi di bawah titik beku tahanan jenis tanah bertambah besar. Hal ini di karenakan pada temperatur di bawah titik beku molekul-molekul air dalam tanah sulit untuk bergerak sehingga daya hantar listrik tanah menjadi sangat rendah.
12 Bila temperatur naik, kebekuan tersebut akan menjadi cair, molekulmolekul dan ion-ion bebas bergerak sehingga daya hantar listrik tanah menjadi besar atau tahanan jenis tanah akan turun. Temperatur tanah juga dipengaruhi oleh musim lingkungan tersebut. d. Pengaruh Kandungan Elektrolit Tanah Kandungan elektrolit merupakan suatu zat yang dapat menghantarkan listrik. Zat tersebut dapat menghantarkan listrik karena zat tersebut memiliki ion-ion yang bergerak bebas di dalam larutan tersebut. Ion-ion inilah yang nantinya akan menjadi penghantar. Semakin banyak ion yang dihasilkan semakin baik kandungan tersebut menghantarkan listrik. Secara grafik pengaruh kandungan garam, kelembaban tanah dan temperatur jenis tanah dapat dilihat pada gambar 3.1. [9] Gambar 3.1 Grafik pengaruh tahanan jenis karena: a. Kandungan garam; b kelembaban tanah; c. temperatur
13 2.6 Pengukuran Tahanan Pentanahan Metoda Tiga Titik Ada beberapa metoda yang dapat digunakan untuk mengukur tahanan pentanahan dari suatu elektroda pentanahan, Berdasarkan ANSI / IEEE std 80-2000 metode pengukuran tahanan pentanahan dapat dilakukan dengan metode dua titik, metode Fall of potential dan metode tiga titik. Pada pengujian ini metode yang digunakan adalah metode tiga titik. Metode tiga titik (three point methode) dimaksudkan untuk mengukur tahanan pentanahan. Misalkan tiga buah batang pembumian disusun pada gambar di mana batang 1 yang tahanannya hendak diukur dan batang-batang 2 dan 3 sebagai elektroda bantu yang belum diketahui tahanannya. Bila tahanan diantara tiap-tiap batang pentanahan diukur dengan arus konstan, tiap pengukuran dapat dituliskan sebagai berikut : =! =!! =! = + 2..(2.3) = +!! 2!..(2.4) = +!! 2!..(2.5) +!! = 2 2 2! 2! Tetapi Jadi! = +! = =! +!
14 Maka = + +! +! Gambar 2. Rangakaian pengukuran tahanan pentanahan dengan metode tiga titik. Tahanan batang pentanahan dari elektroda 1 dapat ditulis: +!! = 0 Metode pengukuran tahana pentanahan di atas dapat juga digunakan untuk menentukan tahanan jenis tanah dengan tahanan pentanahan yang telah di ketahui, serta diameter dan panajang elektroda diketahui pula.
15 2.7 Bentonit [10] Bentonit adalah lempung (clay) yang sebagian besar terdiri dari montmorillonit dengan mineral-mineral seperti kwarsa, kalsit, dolomit, feldspars, dan mineral lainnya. Montmorillonit merupakan bagian dari kelompok smectit dengan komposisi kimia secara umum Al 2 O 3.4SiO 2.H 2 O. Nama monmorilonit itu sendiri berasal dari Perancis pada tahun 1847 untuk penamaan sejenis lempung yang terdapat di Monmorilon Prancis yang dipublikasikan pada tahun 1853 1856. Bentuk fisik bentonit dapat dilihat pada gambar 3.2. Gambar 3.2. Bentonit Di dalam satu unit sel montmorilonit terdapat daerah interlayer yang diisi oleh molekul air dan kation-kation. Daerah interlayer dapat mengembang bila dicelupkan di dalam air. Bentonit berbeda dari lempung lainnya karena hampir seluruhnya (75%) merupakan mineral monmorillonit (mempunyai luas permukaan lebih besar
16 dan sangat mudah menyerap air dalam jumlah banyak). Mineral monmorillonit terdiri dari partikel yang sangat kecil sehingga hanya dapat diketahui melalui studi menggunakan XRD (X-Ray Difraction). Unsur-unsur kimia yang terkandung dalam bentonit diperlihatkan pada tabel berikut : Tabel 2. Komposisi Bentonit Komposisi kimia Na-Bentonit (%) Ca-Bentonit (%) SiO 2 61,3-61,4 62,12 Al 2 O 3 19,8 17,33 Fe 2 O 3 3,9 5,30 CaO 0,6 3,68 MgO 1,3 3,30 Na 2 O 2,2 0,50 K 2 O 0,4 0,55 H 2 O 7,2 7,22 Berdasarkan tipenya, bentonit dibagi menjadi dua, yaitu Na-Bentonit dan Ca Bentonit. Pada penelitian ini bentonit yang digunakan adalah bentonit tipe Na-bentonit. 1. Na-bentonit Na-bentonit, yaitu jenis mineral montmorilonit yang mempunyai lapisan partikel air tunggal (single water layer particle), yang mengandung kation Na + yang dapat dipertukarkan. Na bentonit memiliki daya mengembang hingga delapan kali apabila dicelupkan ke dalam air, dan tetap terdispersi beberapa waktu di dalam air. Dalam keadaan kering berwarna putih atau kream, pada keadaan basah dan terkena sinar matahari akan berwarna mengkilap. Perbandingan antara kation Na + dan kation Ca + yang terdapat
17 di dalamnya cukup tinggi, serta suspensi koloidalnya mempunyai ph 8,5 sampai 9,8. 2. Ca-bentonit Ca-bentonit, yaitu jenis mineral montmorilonit yang kurang dapat mengembang apabila dicelupkan di dalam air, namun setelah diaktifkan dengan asam maka akan memiliki sifat menyerap sedikit air, dan akan cepat mengendap tanpa membentuk suspensi. Ph-nya sekitar 4,0-7,1 dan daya tukar ionnya cukup besar. Dalam keadaan kering berwarna abu-abu, biru, kuning, merah, coklat. 2.8 Proses Aktivasi Bentonit Aktivasi merupaka perlakuan terhadap zat kimia yang bertujuan untuk memperbesar pori yaitu dengan cara mencegah ikatan hidrokarbon atau mengosksidasi molekul permukaan sehingga zat kimia itu mengalami perubahan fisik, baik fisik atau kimia. Ada dua cara yang dapat dilakukan untuk aktivasi bentonit, yaitu : 1. Secara Fisika (Pemanasan) Pada proses ini, aktivasi dilakukan dengan bantuan panas, uap dan gan Co 2. Bentonit dipanaskan pada temperatur 300-350 o C untuk memperluas permukaan butiran bentonit. 2. Secara Kimia (Kontak Asam) Tujuan dari aktivasi kontak asam adalah untuk menukar kation Ca+ yang ada dalam Ca-bentonit menjadi ion H+ dan melepaskan ion Al, Fe, dan Mg dan pengotor-pengotor lainnya pada kisi-kisi struktur, sehingga secara
18 fisik bentonit tersebut menjadi aktif. Zat kimia yang umum digunakan untuk proses aktivasi ini adalah asam sulfat (H 2 SO 4 ) dan asam klorida (HCL. 2.9 Penelitian Yang Pernah Dilakukan Dalam kaitannya dengan perbaikan tahanan pentanahan, beberapa penelitian yang pernah dilakukan diantaranya 1. Penelitian dari Wiwik purwati widyaningsih yang berjudul Perbaikan Tahanan Pentanahan Dengan Menggunakan Bentonit. Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah metode parit melingkar dengan memvariasikan kedalaman parit dan banyaknya bentonit yang di masukan kedalam parit. Dari hasil penelitan tersebut didapat bahwa semakin dalam batang elektroda di tanamkan dan semakin banyak bentonit yang di masukan maka akan di dapatkan tahanan pentanahan yang semakin kecil. 2. Siow Chun LIm et al, preliminary results of the performance of grounding electrodes encased in bentonite-mixed concrete, 2012. Penelitian ini melakukan pencampuran beton dengan bentonit, banyak semen di gantikan dengan bentonit sebanyak 10 %, 20%, 30%, 40%, 50%, 60% dan 70%. Hasil penelitian yaitu pada campuran bentonit sebanyak 20% di dapatkan resistansi yang sangat tinggi pada awal pengukuran tetapi setelah bulan pertama mendapatkan nilai tanahan yang stabil dan kosisten lebih rendah. Sedangkan bentonit di bawah 30%
19 memiliki resistansi lebih rendah dari pada campuran beton biasa dan campuran diatas 30% memiliki tahanan pentanahan yang lebih tinggi. 3. Hiroshi YAMANE at al, long-term stability of reducing graund resistance with water.absorbent polymers pada penelitian ini polimer penyerap air opoxy dibandingkan dengan bentonit dan di uji dengan kondisi tanah yang sangat kering, dan basah dengan temperatur 25 o C, 70 o C dan 90 o C. Hasil penelitian ini adalah pada kondisi sangat kering pada suhu 25 o C tahanan pentanahan stabil tetapi pada 70 o C dan 90 o C meningkat dengan cepat, ketika sampel ini di berikan air tahanan pentanahan kembali ke nilai awal, sedangkan bentonit hancur sekitar seminggu di temperatur 70 o C dan 90 o C. Pada kondisi basah polimer dan bentonit di dapatkan hasil yang stabil. 4. IGN Junardana, Perbedaan penambahan garam dengan penambahan bentonit terhadap nilai tahanan pentanahan pada sistem pentanahan, 2005. Melakukan penelitian tentang perbandingan penambahan garam dengan penambahan bentonit terhadap nilai tahanan pentanahan pada sistem pentanahan. Pada penelitian ini elektroda yang di gunakan adalah tipe rod dengan panjang dan diameter yang sama yaitu 240 cm dan diameter 1,0 cm. Hasil dari penelitian ini didapatkan nilai tahanan pentanahan saat menggunakan bentonit jauh lebih kecil yaitu sekitar 3-3,2 ohm sedangkan dnegan menggunakan garam di dapatkan tahanan pentanahan sebesar 7-8 ohm.
20 5. IGN Junardana, pengaruh umur pada bentonit terhadap nilai tahanan pentanahan, 2005. Penelitian ini di lakukan selama 6 bulan, dengan mevariasikan banyaknya bentonit yang akan di masukan ke dalam tanah yaitu 5kg, 10 kg dan 15 kg. Hasil dari penelitian ini di dapatkan nilai ratarata tahanan pentanahan dengan penambahan zat aditif berupa bentonit seberat 5 kg selama 6 bulan adalah 3,25 ± 0,27 ohm. Nilai rata-rata tahanan pentanahan dengan penambahan zat aditif berupa bentonit seberat 10 kg selama 6 bulan adalah 2,51 ± 0,23 ohm. Nilai rata-rata tahanan pentanahan dengan penambahan zat aditif berupa bentonit seberat 15 kg selama 6 bulan adalah 2,01 ± 0,008 ohm.