PENGARUH PASIR - GARAM, AIR KENCING SAPI, BATU KAPUR HALUS DAN KOTORAN AYAM TERNAK TERHADAP NILAI TAHANAN PEMBUMIAN PADA SAAT KONDISI TANAH BASAH Oleh : Sugeng Santoso, Feri Yulianto Abstrak Sistem pembumian bertujuan untuk mengamankan peralatan-peralatan listrik maupun manusia yang berlokasi di sekitar gangguang dengan cara mengalirkan arus gangguan ke tanah, salah satu faktor untuk mendapatkan nilai tahanan pembumian yang kecil yaitu letak elektroda yang akan ditanam. Untuk mengetahui nilai tahanan pembumian diperlukan pengukuran. Salah satu unsur yang perlu diperhatikan dalam pengukuran suatu sistem pembumian adalah kondisi tanah, di daerah di mana sistem pembumian tersebut akan dipasang. Artikel ini memaparkan bagaimana pengaruh penelitian ini terhadap nilai tahanan pembumian. Pengukuran dilakukan dengan memberikan bahanbahan urukan dan pengaruh sudut pengukurannya. Dari hasil analisis diperoleh kesimpulan bahwa nilai tahanan pembumian sangat dipengaruhi oleh kondisi tanah di mana elektroda tersebut ditanam, perlakuan-perlakuan terhadap tanah dan sudut pengukuran. Penambahan air kencing sapi memberikan dampak terbaik dalam menurunkan tahanan pentanahan sampai pada nilai 25,84 W. Kata kunci : Tanah, tahanan pembumian, bahan urukan. PENDAHULUAN Sistem pembumian memegang peranan yang sangat penting dalam sistem proteksi. Sistem pembumian digunakan sebagai jalur pelepasan arus gangguan ke tanah. Sistem pembumian merupakan salah satu faktor kunci dalam usaha pengamanan / perlindungan sistem tenaga listrik. Arus gangguan listrik terjadi semakin besar, seiring sistem tenaga listrik yang berkembang semakin pesat. Hal ini sangat berbahaya, karena bisa menimbulkan tegangan lebih transien yang sangat tinggi. Oleh karena itu, kemudian merancang suatu sistem yang membuat sistem tenaga tidak lagi mengambang. Sistem tersebut kemudian dikenal dengan sistem pembumian (grounding system). Usaha mengetanahan sistem merupakan usaha untuk menghubungkan bagian kondusif terbuka perlengkapan dengan tanah. Bagian yang langsung berhubungan dengan atau ditanam ialah elektroda pembumian. Ada beberapa jenis elektroda pembumian yang sering digunakan, yaitu elektroda pita, batang dan plat. Pemilihan jenis elektroda pembumian ini diarahkan kepada usaha pemenuhan hambatan pembumian sekecil mungkin. Pembahasan ini dilakukan mengingat adanya perbedaan fisik terhadap beberapa jenis tanah di wilayah Klaten, kondisi tersebut akan menjadi pertimbangan, ketika akan mengembangkan potensi daerah ini. Analisa dilakukan untuk memberi Sugeng Santoso, Feri Yulianto : adalah Dosen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, UNWIDHA Klaten 72 Magistra No. 76 Th. XXIII Juni 2011
gambaran batas aman disebuah sistem tenaga listrik, karena terjadi gangguan antara titik-titik yang mungkin disentuh manusia. Sistem pembumian yang baik adalah sistem pembumian yang memiliki tahanan pembumian yang kecil. Pada kondisi tanah tertentu, nilai tahanan pembumian dipengaruhi oleh kedalaman elektroda, besar penampang elektroda, jenis tanah, sudut pengukuran serta campuran bahan-bahan dalam tanah. Untuk mengetahui pengaruh bahan tambahan terhadap nilai tahanan pembumian dengan menggunakan elektroda batang telah banyak dilakukan penelitian. Penelitian ini dilaksanakan pada daerah pada posisi geografis : 7 36 34.91 LS dan 110 33 32.87 BT. LANDASAN TEORI Sistem pembumian atau biasa disebut sebagai grounding system adalah suatu rangkaian/jaringan mulai dari kutub pembumian/elektroda, hantaran penghubung sampai terminal pembumian yang berfungsi untuk menyalurkan arus lebih ke bumi, agar perangkat peralatan dapat terhindar dari pengaruh petir dan tegangan asing lainnya. Karakteristik sistem pembumian yang efektif antara lain adalah direncanakan dengan baik, semua koneksi, harus merupakan koneksi yang sudah direncanakan sebelumnya dengan kaidah-kaidah tertentu. Verifikasi secara visual dapat dilakukan. Sesuai dengan ukuran, menyediakan guideline untuk setiap komponen. Menghindarkan gangguan yang terjadi pada arus listrik dari perangkat. Semua komponen metal harus ditahan/diikat oleh sistem pembumian, dengan tujuan untuk meminimalkan arus listrik melalui material yang bersifat konduktif pada potensial listrik yang sama. Secara teori tahanan dari tanah atau bumi adalah nol karena luas penampang bumi tak terhingga. Tetapi kenyataannya tidak demikian, artinya tahanan pembumian nilainya tidak nol. Hal ini terutatama disebabkan adanya tahanan kontak antara alat pembumian dengan tanah dimana alat dipasang. Tahanan pembumian selain ditimbulkan oleh tahanan kontak tersebut di atas juga ditimbulkan oleh tahanan sambungan antara alat pembumian dengan kawat penghubungnya. Unsur lain yang menjadi bagian dari tahanan pembumian adalah tahanan dari tanah yang ada di sekitar alat pembumian yang menghambat aliran muatan listrik (arus listrik) yang keluar dari alat pembumian tersebut. Arus listrik yang keluar dari alat pembumian ini menghadapi bagian-bagian tanah yang berbeda tahanan jenisnya. Untuk jenis tanah yang sama, tahanan jenisnya dipengaruhi oleh kedalamannya. Makin dalam letaknya, umumnya makin kecil tahanan jenisnya, karena komposisinya makin padat dan umumnya juga lebih basah. Oleh karena itu, dalam memasang batang pembumian, makin dalam pemasangannya akan makin baik hasilnya dalam arti akan didapat tahanan pembumian yang makin rendah. Gambar 1. Batang pembumian dan lingkaran pengaruhnya (sphere of influence) Magistra No. 76 Th. XXIII Juni 2011 73
Gambar 1. menggambarkan batang pembumian beserta lingkaran pengaruhnya (sphere of influence) di dalam tanah. Tampak bahwa makin dalam letaknya di dalam tanah sampai kedalaman yang sama dengan kedalaman batang pentanahan, dan lingkaran pengaruh ini makin dekat dengan batang pembumian. Hal ini disebabkan oleh adanya variasi tahanan jenis tanahnya. Elektroda bumi ialah penghantar yang ditanam dalam bumi dan membuat kontak langsung dengan bumi. Penghantar bumi yang tidak berisolasi yang ditanam dalam bumi dianggap sebagai bagian dari elektroda bumi. Jenis elektroda bumi yaitu : Elektroda pita, elektroda batang, dan elektroda pelat. Bila persyaratannya dipenuhi, jaringan pipa air minum dari logam dan selubung logam kabel yang tidak diisolasi yang langsung ditanam dalam tanah, besi tulang beton atau konstruksi baja bawah tanah lainnya dapat digunakan sebagai elektroda bumi. Tahanan jenis tanah adalah tanahan listrik dari tahanan tanah yang berbentuk kubus dengan volume 1 m 3. Kadang-kadang tahanan jenis dinyatakan dalam W-m. Pernyataan ohm-m merepresentasikan tahanan di antara dua permukaan yang berlawanan dari suatu volume yang berisi 1 m 3. Untuk mendapatkan tahanan pembumian yang kecil diperlukan upaya sebagai berikut, mengetahui tahanan jenis tanah, kemudian membuat bentuk kutub tanah yang sesuai. Untuk mengurangi variasi tahanan jenis tanah akibat pengaruh musim, pembumian dapat dilakukan dengan menanam elektroda pembumian sampai mencapai kedalaman dimana terdapat air tanah yang konstan. Kadangkala pembenaman elektroda pembumian memungkinkan kelembaban dan temperatur bervariasi sehingga harga tahanan jenis tanah harus diambil untuk keadaan yang paling buruk, yaitu tanah kering dan dingin. Temperatur tanah sekitar elektroda pembumian juga berpengaruh pada besarnya tahanan jenis tanah. Hal ini terlihat sekali pengaruhnyap ada temperatur di bawah titik beku air (0 C), dibawah hargai ni penurunan temperatur yang sedikit saja akan menyebabkan kenaikan harga tahanan jenis tanah dengan cepat. Karakteristik tanah sangat berkaitan erat dengan perencanaan sistem pembumian yang akan digunakan. Untuk mendapatkan tahanan pembumian yang rendah tidak hanya dengan elektroda yang rendah, tetapi tahanan tanahnya juga harus rendah. Pada kenyataannya, tanah selain bersifat sebagai konduktor juga bersifat dielektrik. Sistem pembumian yang menggunakan elektroda pembumian yang ditanam langsung ke dalam tanah terdiri dari berbagai macam cara, antara lain: jenis pembumian rod, jenis pembumian grid, pembumian kombinasi grid-rod. Tahanan kutub pembumian selanjutnya disebut tahanan pembumian adalah seluruh tahanan listrik yang dimiliki sistem pembumian. Idealnya tahanan pembumian adalah 0 (nol), namum karena mencapainya sulit, maka sebagai referensi, untuk gedung maksimum 5 ohm. Pada pembumian rod ini, batang-batang elektroda ditanam tegak lurus dengan permukaan tanah. Bila elektroda rod tersebut dialiri arus gangguan ke tanah ketika daerah perumahan terjadi gangguan tanah, maka arus tersebut akan menyebar atau mengalir ke tanah dan akan mengakibatkan naiknya beda potensial pada permukaan tanah. Makin jauh dari elektroda tersebut, penyebaran arus semakin luas, sehingga kepadatan arusnya juga semakin berkurang. 74 Magistra No. 76 Th. XXIII Juni 2011
Peraturan umum untuk elektroda bumi, penghantar dan persyaratan mengenai keterangan bentuk elektroda, bahan dan penanaman dapat dilihat dalam PUIL 2000 (Peraturan Umum Instalasi Listrik Indonesia). Nilai resistans jenis tanah sangat berbeda tergantung komposisi tanah seperti dapat dilihat dalam pasal 3.18.3.1 dalam PUIL 2000 ditunjukkan dalam tabel 1. Tabel 1 Tahanan jenis tanah Jenis tanah Tanah rawa Tanah liat dan Pasir Kerikil Pasir dan Tanah tanah ladang basah basah kerikil kering berbatu Resistans jenis 30 100 200 500 1000 3000 ( -m) Nilai tersebut pada tabel 1 seluruhnya berlaku untuk tanah lembab sampai kering. Pasir kering mutlak atau batu adalah suatu bahan isolasi yang bagus, sama seperti air destilasi. Maka elektroda bumi selalu harus ditanam sedalam mungkin dalam tanah, sehingga dalam musim kering selalu terletak dalam lapisan tanah yang basah. Resistans pembumian elektroda bumi tergantung pada jenis dan kedalaman tanah serta pada ukuran dan susunan elektroda. Menunjukkan nilai rata-rata resistans elektroda bumi seperti tabel 2. Tabel 2. Resistans pembumian pada resistans jenis r1=100 -meter Jenis Elektroda Pita atau Penghantar Bumi Batang dan Pita Pelat vertikal dengan sisi atas + 1 m di bawah permukaan tanah Panjang (m) Panjang (m) Ukuran (m 3 ) 10 25 50 100 1 2 3 5 0,5 x 1 1 x 1 Resistans pembumian ( ) 20 10 5 3 70 40 30 20 35 25 Pengukuran resistans jenis tanah yaitu bahwa untuk memperoleh nilai tahanan jenis tanah yang akurat diperlukan pengukuran secara langsung pada lokasi. Jika diperlukan dilapangan harus disiapkan hubungan atau koneksi yang mudah dilepas untuk dapat diadakan pengukuran pada tiap-tiap elektroda dalam tingkat perencanaan suatu sistem pembumian dalam elektroda bumi sangat bermanfaat bila diperhitungkan dahulu dengan bantuan resistans jenis tanah supaya mendapat besarnya biaya yang diperlukan. Jika keadaan tanah sangat korosif atau jika digunakan elektroda baja yang tidak digalvanisasi, dianjurkan untuk menggunakan luas penampang atau tebal sekurang-kurangnya 150% dari yang tertera dalam Tabel 3 Magistra No. 76 Th. XXIII Juni 2011 75
Tabel 3 Ukuran minimum elektroda bumi No Bahan jenis elektrode Baja digalvanisasi dengan proses pemanasan Baja berlapis tembaga Tembaga 1 Elektroda pita Pita baja 100 mm 2 setebal minimum 3 mm Penghantar pilih 95 mm 2 (bukan kawat halus) 50 mm 2 Pita tembaga 50 mm 2 tebal minimum 2 mm Penghantar pilin 35 mm 2 (bukan kawat halus) 2 Elektroda Pipa baja 25 mm Baja batang Baja profil (mm) berdiameter L 65 7 15 mm dilapisi U 6,5 tembaga T 6 50 3 setebal 250 m Batang profil lain yang setaraf 3 Elektroda pelat Pelat besi tebal 3 mm luas Pelat tembaga tebal 2 mm 0,5 m 2 sampai 1 m 2 luas 0,5 m 2 sampai 1 m 2 Gambar 2. merupakan diagram alur proses pengukuran tahanan pembumian dengan elektroda batang ditanam ditanah dan ditambah bahan-bahan yang sudah ditentukan. Mulai Menyiapkan alat ukur Membuat lubang dengan volume dan bahan yang sudah ditentukan Mengatur sudut pengambilan dan jarak elektroda utama bantu sebesar 5 meter Mengatur kedalaman elektroda utama Mencatat nilai tahanan pembumian yang dihasilkan Selesai Gambar 2. Diagram alur proses pengukuran tahanan pembumian dengan elektroda batang ditambah bahan-bahan yang sudah ditentukan. 76 Magistra No. 76 Th. XXIII Juni 2011
METODE PENELITIAN Populasi adaslah keseluruhan obyek penelitian yang paling sedikit mempunyai satu sifat yang sama. Populasi disini adalah seluruh perlakuan-perlakuan terhadap tanah dengan memberikan bahan-bahan urukan (backfill material). Sampel pada penelitian ini adalah sejumlah perlakuan-perlakuan terhadap tanah dengan memberikan bahan-bahan urukan (backfill material) yang digunakan adalah pasir + garam, kencing sapi, batu kapur (dihaluskan) dan kotoran ayam ternak. Teknik sampling yang digunakan adalah comparative experiment. Teknik ini digunakan dengan alasan dilakukan satu percobaan dengan membandingkan perlakuan-perlakuan dan membandingkan pengaruh perlakuan-perlakuan tersebut terhadap satu populasi yang dipilih dan membandingkan dengan kontrol secara ketat. Metode analisis data yang digunakan dalam menguji hipotesis adalah menggunakan desain randominasi lengkap (completely randomized desigh) adalah desain percobaan yang paling sederhana. Dalam desain ini, variance total hanya dibagi atas variance antar perlakuan dan variance error atau dalam perlakuan. Hal ini dilakukan untuk melihat apakah perbedaan yang signifikan sebelum dan sesudah nilai tahanan pembumian terjadi perlakuanperlakuan terhadap tanah dengan memberikan bahanbahan urukan (backfill material). Tabel 4. Tabel ANAVA dari Desain Ranominasi Lengkap Sumber Variasi Antar Perlakuan Dalam Perlakuan (error) DF K - 1 (n - k ) - (k -1) SS SSp SS E MS SSp k - 1 SS E (n - k ) - (k - 1) SSp MS E ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN Data hasil pengukuran tahanan pembumian disajikan pada tabel 5. Tabel 5. Hasil pengukuran nilai tahanan pembumian TREATMENT SUDUT KONTROL PASIR AIR BATU KAPUR KOTORAN DITAMBAH KENCING DIHALUSKAN AYAM GARAM SAPI TERNAK 0 36,9W 39,3W 21,6W 54,7W 44,6W 30 38,4W 40,4W 24,3W 56,2W 47,3W 60 38,6W 40,6W 25,9W 55,9W 45,2W 90 37,2W 41,1W 26,4W 56,8W 46,8W 120 38,7W 43,5W 28,7W 59,2W 48,5W 150 39,1W 42,8W 28,5W 59,9W 48,1W 180 37,7W 42,3W 25,5W 57,2W 45,7W Hasil perhitungan atas data yang diperoleh disajikan pada tabel 6. Tabel 6. Tabel ANAVA, tahanan pembumian Sumber Variasi DF SS MS F Antar tahanan 4 3685,98 921,5 317,76 Error 30 86,97 2,9 Total 34 3772,95 Dari data hasil pengukuran pada tabel 5 dapat dibuat grafik yang menyatakan perbedaan nilai tahanan pembumian sebelum dan sesudah terjadi perlakuan-perlakuan terhadap tanah dengan memberikan bahan-bahan urukan (backfill material) dan pengaruh sudut pengukuran. Total n-k SS T SS T n-k Magistra No. 76 Th. XXIII Juni 2011 77
Berdasarkan Gambar 3 menunjukkan bahwa sudut pengukuran mempengaruhi nilai tahanan pembumian. Peningkatan dan penurunan nilai tahanan pembumian disebabkan karena faktor tanah tersebut. Ditempat yang sama belum tentu kadar air didalam tanah itu sama, semakin banyak kadar air didalam tanah itu sama, semakin banyak kadar air didalam tanah maka semakin bagus nilai tahanan pembumian. 60 50 40 30 20 10 0 Kontrol Pasir Tambah Garam Air Kencing Sapi Batu Kapur (Dihaluskan) Kotoran Ayam Ternak Gambar 3 Grafik hubungan antara pengaruh sudut dan pengukuran dengan bahan urukan terhadap nilai tahanan pembumian. Penambahan pasir tambah garam menyebabkan peningkatan nilai tahanan pembumian, sehingga nilai tahanan pembumian semakin jelek. Kecenderungan peningkatan nilai tahanan pembumian disebabkan karena didalam pasir dan garam hanya terdapat kandungan air yang sedikit. Penambahan batu kapur yang dihaluskan menyebabkan peningkatan yang signifikan terhadap nilai tahanan pembumian, sehingga nilai tahanan pembumian tersebut sangat jelek. Karena didalam batu kapur sangat sedikit kandungan airnya. Penambahan air kencing sapi menyebabkan penurunan pada nilai tahanan pembumian. Tetapi terlihat bahwa pengaruh penambahan air kencing sapi tidak memberikan pengaruh yang besar terhadap nilai tahanan pembumian. Penambahan ini akan menjadi dasar untuk mengurangi nilai tahanan pembumian. Penambahan kotoran ayam ternak menyebabkan peningkatan nilai tahanan pembumian. Peningkatan ini disebabkan karena didalam kotoran ayam ternak tidak terdapat bahan-bahan yang dapat mengurangi nilai tahanan pembumian, akan tetapi justru malah meningkatkan nilai tahanan pembumian tersebut. Hasil analisis diatas dapat disimpulkan bahwa terjadi perubahan yang signifikan terhadap nilai tahanan pembumian. Penurunan nilai tambahan pembumian hanya terjadi pada air kencing sapi, akan tetapi penambahan yang lain malah justru membuat nilai tahanan pembumian semakin meningkat. 78 Magistra No. 76 Th. XXIII Juni 2011
KESIMPULAN Partikel penyusun tanah, bahan pasir tambah garam dengan nilai tahanan pembumian rata-rata sebesar 42,3W, batu kapur dengan nilai tahanan pembumian rata-rata sebesar 57,2W dan kotoran ayam ternak dengan nilai tahanan pembumian rata-rata sebesar 45,7W, sangat buruk untuk mendistribusikan aliran arus gangguan. Bahan urukan yang baik untuk sistem pembumian dalam penelitian ini adalah air kencing sapi yang mampu mengurangi nilai tahanan pembumian, dengan nilai tahanan pembumian ratarata sebesar 25,84W. Nilai tahanan pembumian untuk sudut 0, ternyata lebih rendah dibanding sudut pengujian yang lain, hal ini dikarenakan titik-titik ukur yang berada dijalur aliran arus gangguan dari elektroda menuju ke pasak netral. DAFTAR PUSTAKA Badan Standarisasi Nasional, Peraturan Umum Instalasi Penangkal Petir. Badan Standarisasi Nasional, 2000, Persyaratan Umum Instalasi Listrik (PUIL 2000) Jakarta : Yayasan PUIL. Dermawan, A, dkk, Analisis Perbandingan Nilai Tahanan Pentanahan Yang Ditanam Di Tanah Dan Di Septictank Pada Perumahan, Semarang. Dheah, K,, Pengaruh Kedalaman Penanaman Dan Jarak Elektroda Tambahan Terhadap Nilai Tahanan Pembumian, Jurnal Ilmu - ilmu Teknik Sistem, Vol. 5 No. 2 Malang. Dibyantoro, P, 2003, Perencanaan Sistem Pentanahan Pada Gardi Induk, Teknik elektro Fakultas Teknik Undip, Semarang. Hutauruk, T.S. 1999. Pengetahuan Netral Sistem Tenaga Dan Pengetanahan Peralatan. Yayasan PUIL. Jakarta : Erlangga. Kyoritsu. Instruction Manual Analog Earth Resistance Tester Model 4102A. Jepang. Nazir Moch, 1983, Metode Penelitian. Jakarta : Ghalia Indonesia. Pijpaert, K, 1999, Peraturan Umum Untuk Elektrode Bumi dan Penghantar Bumi. Rakhmadi, A, Ihsan. 2002, Pengaruh Jenis Tanah Terhadap Tegangan Permukaan Tanah. Jurnal Teknik Elektro Emiton Vol 2, No. 2 Yogyakarta Stevenson, W.D., Idris, K. 1996. Analisis Tenaga Listrik, Erlangga, Jakarta. Tadjuddin, 1998, Bentuk-bentuk Elektroda Pentanahan. Elektro Indonesia Edisi ke Lima Belas, Nopember 1998. Magistra No. 76 Th. XXIII Juni 2011 79