PERCOBAAN I PENGUKURAN TAHANAN TANAH I. 1. Tujuan Percobaan Untuk menentukan besarnya tahanan pentanahan pada berbagai jenis kondisi tanah. I. 2. Teori Grounding system adalah sebuah kegiatan usaha yang mengkhususkan diri pada jasa perencanaan instalasi kelistrikan, sistem pentanahan dan sistem proteksi, yang bertujuan untuk memberikan solusi menyeluruh berupa perlindungan peralatan elektronik, bangunan, ketersediaan layanan, dan keselamatan manusia terhadap kemungkinan bahaya kejut listrik serta kerusakan akibat petir/tegangan berlebih. Tujuan sistem pentanahan adalah untuk membatasi tegangan pada bagian bagian peralatan yang tidak dialiri arus dan antara bagian bagian tersebut dengan tanah, hingga tercapai suatu nilai yang aman untuk semua kondisi operasi, baik kondisi normal maupun saat terjadi gangguan. Sistem pentanahan berguna untuk memperoleh tegangan potensial yang merata dalam suatu bagian struktur dan peralatan, serta untuk memperoleh jalan balik arus hubung singkat/arus gangguan ke tanah yang memiliki resistansi rendah. Sebab apabila arus gangguan dipaksakan mengalir ke tanah dengan tahanan yang tinggi, maka hal tersebut akan menimbulkan perbedaan tegangan yang besar sehingga dapat membahayakan. Pada saat terjadi gangguan, arus gangguan yang dialirkan ke tanah akan menimbulkan perbedaan tegangan pada permukaan tanah yang disebabkan karena adanya tahanan tanah.
Sistem pentanahan atau biasa disebut sebagai grounding system adalah sistem pengamanan terhadap perangkat perangkat yang mempergunakan listrik sebagai sumber tenaga, dari lonjakan listrik terutama petir. Sistem pentanahan digambarkan sebagai hubungan antara suatu peralatan atau sirkit listrik dengan bumi. Tujuan utama 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. Menurut IEEE Std 142 2007, tujuan system pentanahan adalah: Membatasi besarnya tegangan terhadap bumi agar berada dalam batasan yang diperbolehkan Menyediakan jalur bagi aliran arus yang dapat memberikan deteksi terjadinya hubungan yang tidak dikehendaki antara konduktor system dan bumi. Deteksi ini akan mengakibatkan beroperasinya peralatan otomatis yang memutuskan suplai tegangan dari konduktor tersebut. Grounding sistem dalam kebutuhannya untuk klien dan memberi nilai lebih dari segi keamanan, berupa perlindungan menyeluruh untuk investasi peralatan elektronik, bangunan, ketersediaan layanan, dan keselamatan manusia, tercakup dalam standar instalasi Grounding system yaitu sebagai berikut : Instalasi Grounding System bertujuan untuk mencegah kerusakan/kerugian yang ditimbulkan akibat tegangan atau arus berlebih yang terjadi pada kasus sambaran petir, kegagalan trafo distribusi PLN, atau kontak langsung secara tidak sengaja dengan kabel yang memiliki tegangan yang lebih tinggi, dengan penerapan sistem proteksi dan sistem pentanahan yang tepat dan terencana.
Instalasi Grounding System bertujuan untuk mengoptimalkan sistem kelistrikan agar tidak terjadi gangguan yang dapat mempengaruhi kualitas tegangan secara keseluruhan, dan menjamin berfungsinya instalasi listrik dengan baik sesuai dengan maksud kegunaannya. Instalasi Grounding System bertujuan untuk memberikan jaminan keselamatan dari bahaya kejut listrik, baik perlindungan dari sentuh langsung maupun tak langsung, serta perlindungan terhadap suhu berlebih yang dapat mengakibatkan kebakaran, luka bakar ataupun efek cedera lainnya. Perencanaan sistem pentanahan membutuhkan pengukuran karakteristik nilai resistansi tanah yang berbeda beda dari satu daerah lokasi ke daerah lokasi lainnya. Dari hasil pengukuran tersebut diperoleh suatu data yang dijadikan acuan dasar dari keseluruhan perencanaan, guna menentukan target pencapaian nilai yang aman untuk semua kondisi operasi, baik kondisi normal maupun saat terjadi gangguan, yang selanjutnya diterapkan untuk segala jenis sistem instalasi, baik kelistrikan, maupun sistem proteksi. Adapun karakteristik sistem pentanahan yang efektif antara lain adalah: 1. Terencana dengan baik, semua koneksi yang terdapat pada sistem harus merupakan koneksi yang sudah direncanakan sebelumnya dengan kaidah kaidah tertentu. 2. Verifikasi secara visual dapat dilakukan. 3. Menghindarkan gangguan yang terjadi pada arus listrik dari perangkat. 4. Semua komponen metal harus ditahan/diikat oleh sistem pentanahan, dengan tujuan untuk meminimalkan arus listrik melalui material yang bersifat konduktif pada potensial listrik yang sama. Penggunaan Pentanahan dalam Aplikasi Proteksi, antara lain:
1. Karena gejala alami, seperti kilat, tanah digunakan untuk membebaskan sistem dari arus sebelum personil atau pelanggan dapat terluka atau komponen sistem yang peka dapat rusak. 2. Karena potensial dalam kaitan dengan kegagalan sistem tenaga listrik dengan kembalian tanah, tanah membantu dalam memastikan operasi yang cepat menyangkut relay proteksi sistem daya dengan menyediakan jalan arus gagal tahanan rendah tambahan. Jalan tahanan rendah menyediakan tujuan untuk mengeluarkan potensial secepat mungkin. Tanah harus mengalirkan potensial sebelum personil terluka atau sistem telepon rusak. Dalam sebuah instalasi listrik ada empat bagian yang harus ditanahkan atau sering juga disebut dibumikan. Empat bagian dari instalasi listrik ini adalah: 1. Semua bagian instalasi yang terbuat dari logam (menghantar listrik) dan dengan mudah bisa disentuh manusia. Hal ini perlu 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 lightning arester. Hal ini diperlukan agar lightning arester dapat berfungsi dengan baik, yaitu membuang muatan listrik yang diterimanya dari petir ke tanah (bumi) dengan lancar. 3. Kawat petir yang ada pada bagian atas saluran transmisi. Kawat petir ini sesungguhnya juga berfungsi sebagai lightning arester. Karena letaknya yang ada di sepanjang saluran transmisi, maka semua kaki tiang transmisi harus ditanahkan agar petir yang menyambar kawat petir dapat disalurkan ke tanah dengan lancar melalui kaki tiang saluran transmisi. 4. Titik netral dari transformator atau titik netral dari generator. Hal ini diperlukan dalam kaitan dengan keperluan proteksi khususnya yang menyangkut gangguan hubung tanah.
Piranti yang digunakan dalam sistem proteksi kelistrikan, meliputi penggunaan alat alat proteksi yang sesuai dengan klasifikasi dari IEC (International Electrotechnical Commission) dan VDE (Verband Deutscher Elektrotechniker), yaitu sebagai berikut : a. Class B (Arester for lightning protection equipotential bonding), adalah alat alat proteksi yang terhubung pada sistem ikatan penyama potensial (equipotential bonding). Alat alat proteksi pada class B dirancang sedemikian rupa sehingga mampu menahan tegangan berlebih yang terjadi pada kasus sambaran petir langsung, dan mengalirkan kelebihan tegangan tersebut ke tanah dengan segera. Alat alat proteksi class B terutama digunakan untuk sistem proteksi pada bangunan yang memiliki instalasi proteksi petir eksternal. b. Class C (Arester for overvoltage protection), digunakan untuk sistem proteksi pada bangunan yang tidak memiliki instalasi proteksi petir eksternal, sehingga kemungkinan terjadinya tegangan berlebih adalah melalui suplai tegangan dari PLN. c. Class D (Arester for mobile use on socket outlets for overvoltage), alat proteksi yang dipasang pada stop kontak (socket outlet) untuk penggunaan alat alat elektronik yang sensitif terhadap gangguan yang ditimbulkan oleh tegangan berlebih. Berdasarkan klasifikasi yang mengacu pada IEC (International Electrotechnical Commission) dan VDE (Verband Deutscher Elektrotechniker) tentang tingkat perlindungan suatu sistem proteksi terhadap tegangan berlebih, penanganan instalasi kelistrikan dan sistem pentanahan dibedakan menjadi 2 menurut kategori sistem : 1. Penanganan instalasi kelistrikan dan sistem pentanahan pada bangunan yang memiliki sistem proteksi petir eksternal. Pada sistem ini, mutlak dibutuhkan arester for lightning protection equipotential bonding (mengacu pada DIN VDE 0185) untuk penggunaan alat proteksi terhadap tegangan berlebih category IV (mengacu pada DIN
VDE 0110/1). Sistem ini mengharuskan penggunaan alat proteksi class B yang didesain khusus sebagai pembatas yang mampu memberikan jalan bagi arus petir atau sebagian dari arus petir ke tanah dengan segera pada kasus sambaran petir langsung. 2. Penanganan instalasi kelistrikan dan sistem pentanahan pada bangunan yang tidak memiliki sistem proteksi petir eksternal. Pada sistem ini, digunakan arester for over voltage protection (mengacu pada DIN VDE 0100) untuk penggunaan alat proteksi terhadap tegangan berlebih category III (mengacu pada DIN VDE 0110/1). Sistem ini cukup menggunakan alat proteksi class C yang merupakan pembatas tegangan berlebih yang terjadi pada kasus sambaran petir tak langsung (induksi sambaran petir), maupun tegangan berlebih yang disebabkan kegagalan pada trafo distribusi PLN, atau kontak langsung secara tidak sengaja dengan kabel yang memiliki tegangan yang lebih tinggi. Pentanahan merupakan hal yang sangat penting dalam instalasi,karena dengan pentanahan bila terjadi hubung singkat tidak terjadi suatu hal yang membahayakan. Manfaat pentanahan yaitu: a. Bila terjadi hubung body pada peralatan listrik dengan adanya sistem pentanahan yang baik maka tidak akan menyebabkan suatu hal yang tidak di inginkan, hubung body tersebut dapat menyalur ke yang lain misal kumparan akan, maka kumparan tersebut akan terbakar dengan adanya sistem pentanahan yang baik maka arus pada hubung body tersebut akan menyalur ke tanah. b. Bila terjadi Petir agar tidak membuat kebakaran atu hal yang lain maka di buat Penangkal petri, penangkal petir ini berfungsi sebagai penagngkal atau menyalurkan energi petir ke dalam tanah, nilai resistansi pada tahanan pentanahan harus sekecil mungkin agar, bila nilai resistansi besar maka energi petir tersebut akan masuk kedalam
instalasi rumah/gedung yang di pasang penangkal petir dapat mengakibatkan kebakaran. ` Gambar I.1 Earth Tester Analog Model 4102A Besarnya tahanan tanah sangat penting untuk diketahui sebelum dilakukan pentanahan dalam sistem pengaman dalam instalasi listrik. Untuk mengetahui besar tahanan tanah pada suatu area digunakan alat ukur dengan penampil analog. Hasil pengukuran secara analog sering terjadi kesalahan dalam pembacaan hasil pengukurannya. Untuk mengatasi permasalahan tersebut, maka dirancanglah suatu alat ukur tahanan tanah digital yang memiliki kemudahan dalam pembacaan nilai tahanan yang diukur.
Gambar I.2 Earth Tester Digital Model 4105A Alat ukur ini penampilnya menggunakan digital pada segmensegmen, sehingga dengan mudah menyimpan data-data yang terukur. Perancangan alat ukur tahanan tanah digital ini menggunakan tiga batang elektroda yang ditanahkan yaitu elektroda E (Earth), elektroda P (Potensial) dan elektroda C (Curren). Tujuan penggunaan tiga batang elektroda tersebut adalah untuk mengetahui sejauh mana tahanan dapat mengalirkan arus listrik. Alat ukur tahanan tanah ini terdiri dari beberapa blok diagram rangkaian, antara lain rangkaian osilator, rangkaian tegangan input, rangkaian arus input, mikrokontroler dan rangkaian penampil. Sebelum hasil pengukuran di tampilkan ke LCD, data diolah dirangkaian mikrokontroler. Keuntungan dengan manggunakan mikrokontroler ini yaitu keluaran dari rangkaian input ini sebelum masuk ke LCD bisa diatur. Sehingga, perancangan alat ukur tahanan tanah digital ini dapat mengukur tahanan tanah dengan teliti dan akurat. Hasil pengukuran tahanan tanah juga bergantung pada kondisi tanah itu sendiri. Pengukuran tahanan tanah dilakukan dengan membandingkan alat ukur rakitan dengan alat ukur yang sudah ada dengan
merek Kyoritsu Earth Tester Digital. Selisih nilai pengukuran antara alat ukur rakitan dengan alat ukur yang sudah ada adalah sebesar 0,31 ohm. Sistem pentanahan yang baik di pengaruhi oleh beberapa hal : tahanan yang mempunyai resistansi yang sekecil mungkin. Tanahan yang untuk pemasangan bila tanah keras maka nilai resistansi akan tinggi dan sebaliknya bila tanah tidak keras maka nilai resistansinya kecil dan hal lain yang mempengaruhi sistem pentanahan yaitu bantuk tahanan karena tahanan mempunyai bentuk bentuk yang berbeda : batang, pita dan pelat dengan adanya sistem petanahan yang baik maka dalam instalasipun akan aman dan berjangka waktu yang lama. Pentanahan atau kita sebut grounding adalah sistem pengamanan perangkat perangkat yang menggunakan listrik dari lonjakan listrik, petir dan lain lain. Tahanan pentanahan selain ditimbulkan oleh tahanan kontak tersebut diatas juga ditimbulkan oleh tahanan sambungan antara alat pentanahan dengan kawat penghubungnya. Unsur lain yang menjadi bagian dari tahanan pentanahan adalah tahanan dari tanah yang ada di sekitar alat pentanahan yang menghambat aliran muatan listrik (arus listrik) yang keluar dari alat pentanahan tersebut. Arus listrik yang keluar dari alat pentanahan 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 pentanahan, makin dalam pemasangannya akan makin baik hasilnya dalam arti akan didapat tahanan pentanahan yang makin rendah. Diinginkan agar tahanan pentanahan dari titik-titik pentanahan tersebut di atas tidak melebihi 4 ohm. Secara teoretis, tahanan dari tanah atau bumi adalah nol karena luas penampang bumi tak terhingga. Tetapi
kenyataannya tidak demikian, artinya tahanan pentanahan nilainya tidak nol. Hal ini terutama disebabkan oleh adanya tahanan kontak antara alat pentanahan dengan tanah di mana alat tersebut dipasang (dalam tanah). Gambar I.3 Macam-macam alat pentanahan Dari gambar I.3 tampak bahwa ada empat alat pentanahan, yaitu: 1. Batang pentanahan tunggal (single grounding rod). 2. Batang pentanahan ganda (multiple grounding rod). Terdiri dari beberapa batang tunggal yang dihubungkan paralel. 3. Anyaman pentanahan (grounding mesh), merupakan anyaman kawat tembaga. 4. Pelat pentanahan (grounding plate), yaitu pelat tembaga. Tahanan pentanahan selain ditimbulkan oleh tahanan kontak tersebut diatas juga ditimbulkan oleh tahanan sambungan antara alat pentanahan dengan kawat penghubungnya. Unsur lain yang menjadi bagian dari tahanan pentanahan adalah tahanan dari tanah yang ada di sekitar alat pentanahan yang menghambat aliran muatan listrik (arus listrik) yang keluar dari alat pentanahan tersebut.
Arus listrik yang keluar dari alat pentanahan 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 pentanahan, makin dalam pemasangannya akan makin baik hasilnya dalam arti akan didapat tahanan pentanahan yang makin rendah. Gambar I.4 Batang pentanahan beserta aksesorisnya. Pada gambar I.4 menggambarkan batang pentanahan beserta aksesorisnya, yaitu; 1. Konduktor tanah 2. Penghubung antara konduktor dengan elektroda tanah 3. Elektroda tanah.
Gambar I.5 Batang pentanahan dan lingkaran pengaruhnya (sphere of influence). Sedangkan gambar I.5 menggambarkan batang pentanahan beserta lingkaran pengaruhnya (sphere of influence) didalam tanah. Tampak bahwa pengaruh batang pentanahan akan semakin dalam letaknya di dalam tanah dan pengaruh terkecil pada kedalaman yang sama dengan kedalaman batang pentanahan. Lingkaran pengaruh ini makin dekat dengan batang pentanahan. Hal ini disebabkan oleh adanya variasi tahanan jenis tanahnya, seperti yang dijelaskan pada bagian di bawah ini. Faktor yang mempengaruhi tahanan pentanahan. Suatu elektroda pentanahan tidak bisa ketika ditanamkan ke dalam tanah seketika memperoleh hasil yang baik, dalam hal ini nilai tahanan yang rendah.
Banyak faktor, keduanya alami dan manusia, bisa mempengaruhi hasil. Faktor-faktor tersebut antara lain: 1. Resistivitas Bumi Resistivitas listrik dari bumi (tahanan bumi untuk mengalirkan arus) menjadi bagian penting. Resistivitas bumi (ohm meter) merupakan nilai resistansi dari bumi yang menggambarkan nilai konduktivitas listrik bumi dan didefinisikan sebagai tahanan, dalam ohm, antara permukaan yang berlawanan dari suatu kubus satu meter kubik dalam volume. Suatu unit pengukuran alternatif, ohm centimeter, didefinisikan sebagai tahanan dalam ohm, antara permukaan yang berlawanan dari satu centimeter kubik dari bumi. Untuk mengkonversi ohm meter ke ohm centimeter, kalikan dengan dengan 100. Resistifitas bumi bervariasi. Di Amerika Serikat resistivitas bervariasi dari beberapa ohm meter sepanjang beberapa pantai sampai beribu-ribu ohm meter dalam daerah berbatu-batu, bergunung-gunung. Resistivitas bumi dapat berubah-ubah dalam jarak sangat kecil dalam kaitan dengan kondisikondisi lokal tanah. Tabel berikut menunjukkan resistivitas bumi untuk berbagai jenis tanah. Tabel ini bermanfaat di dalam pemilihan penempatan di mana suatu pentanahan akan ditempatkan. Tabel I.1 Tahanan jenis berbagai macam tanah dan tahanan pentanahannya
Tabel I.1 menunjukkan tahanan jenis berbagai macam tanah serta tahanan pentanahan dengan berbagai kedalaman dan apabila digunakan pita pentanahan (grounding strip) dengan berbagai ukuran panjang. Dari tabel terlihat bahwa untuk memperoleh tahanan pentanahan 6 Ω di humus lembab, maka batang pentanahannya cukup dipancang sedalam 5 meter tetapi bila di pasir kering kedalamannya harus 165 meter. 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.
Gambar I.6 Saat sebuah elektroda dilalui oleh arus 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.
Tabel I.2 Variasi Nilai Resistivitas Berbagai Tanah JENIS SOIL RESISTIVITAS (Ohm-meter) Loam 5-50 Clay 4-100 Sand/Gravel 50-1,000 Limestone 5-10,000 Sandstone 20-2,000 Granite 1,000-2,000 Slates 600 5,000 - Tabel I.3 Nilai Resistivitas Tanah menurut pasal 320 1 PUIL 1987 Jenis Tanah Resistivitas (ohm m) Tanah Rawa 10-40 Tanah Liat 20-100 Pasir Basah 50-200 Kerikil Basah 200-3000 Kerikil Kering < 10000 Tanah Berbatu 2000-30000 2. Kelembaban Tanah Tanah manapun, dengan nilai kelembaban nol, bersifat isolasi. Kondisi ini jarang ditemui kecuali di area padang pasir atau selama periode dari musim kering ekstrim. 3. Kandungan Mineral Tanah
Air yang tidak mengandung garam mineral merupakan bahan isolasi sama halnya dengan tanah dengan kelembaban nol. 4. Temperatur Jika temperatur tanah berkurang, maka resistivitasnya meningkat terutama ketika temperatur tanah turun di bawah titik beku air, resistivitas akan meningkat dengan cepat. Elektroda batang untuk menurunkan nilai tahanan grounding tower. Tower adalah merupakan salah satu bagian dari komponen sistem telekomunikasi yang sangat penting mempunyai kemungkinan sangat besar mengalami bahaya yang disebabkan oleh timbulnya gangguan petir sehingga arus yang mengalir ke tanah menyebabkan induksi yang membahayakan peralatan telekomunikasi. Misalnya 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 tower. 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 grounding yaitu dengan cara menambahkan elektroda grounding yang ditanam ke dalam tanah. Oleh karena lokasi ower yang tersebar di berbagai tempat yang kemungkinannya mempunyai struktur tanah berlapis-lapis maka diperlukan perencanaan grounding yang sesuai, dengan tujuan untuk mendapatkan tahanan grounding yang kecil sehingga tegangan permukaan yang timbul tidak membahayakan baik dalam kondisi normal maupun saat terjadi gangguan ke tanah.
Grounding peralatan adalah penghubungan bagian-bagian peralatan listrik yang pada keadaan normal tidak dialiri arus. Tujuannya adalah untuk membatasi tegangan antara bagian bagian 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 grounding 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. Bila arus hubung singkat ke tanah dipaksakan mengalir melalui tanah dengan tahanan yang tinggi akan menimbulkan perbedaan tegangan yang besar dan berbahaya. Dalam analisis ini digunakan beberapa parameter yaitu kedalaman penanaman elektroda grounding, panjang elektroda batang, jumlah elektroda batang (rod), ketebalan lapisan tanah bagian pertama dan tahanan jenis tanah tiap lapisan dengan menggunakan beberapa asumsi yaitu: a. Lapisan-lapisan tanah sejajar terhadap permukaan tanah. b. Tahanan jenis tanah adalah konstan untuk setiap lapisan. c. Analisa hanya dilakukan untuk elektroda rod d. Panjang rod (L) untuk semua kemungkinan pemasangan adalah sama (3.5 meter) 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 switch yard sambil memegang atau menyentuh suatu peralatan yang digroundingkan 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 switch yard 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. 1. Arus Melalui Tubuh Manusia Kemampuan tubuh manusia terhadap besarnya arus yang mengalir di dalamnya terbatas dan lamanya arus yang masih dapat ditahan sampai yang belum membahayakan sukar ditetapkan. Berdasarkan hal ini maka batas batas arus berdasarkan pengaruhnya terhadap tubuh manusia dijelaskan berikut ini. Bila seseorang memegang penghantar yang diberi tegangan mulai dari harga nol dan dinaikkan sedikit demi sedikit, arus listrik yang melalui tubuh orang tersebut akan memberikan pengaruh. Mula mula akan merangsang syaraf sehingga akan terasa suatu getaran yang tidak berbahaya bila dengan arus bolak balik dan akan terasa sedikit panas pada telapak tangan bila dengan arus searah (arus persepsi). Bila tegangan yang menyebabkan terjadinya tingkat arus persepsi dinaikkan lagi maka orang akan merasa sakit dan kalau terus dinaikkan maka otot-otot akan kaku sehingga orang tersebut tidak berdaya lagi untuk melepaskan konduktor tersebut. Apabila arus yang melewati tubuh manusia lebih besar dari arus yang mempengaruhi otot dapat mengakibatkan orang menjadi pingsan bahkan sampai mati, hal ini disebabkan arus listrik tersebut mempengaruhi jantung sehingga jantung berhenti bekerja dan peredaran darah tidak jalan. 2. Tahanan Tubuh Manusia Tahanan tubuh manusia berkisar di antara 500 Ohm sampai 100.000 Ohm tergantung dari tegangan, keadaan kulit pada tempat yang mengadakan hubungan (kontak) dan jalannya arus dalam tubuh. Kulit yang terdiri dari lapisan tanduk mempunyai tahanan yang tinggi, tetapi terhadap tegangan yang tinggi kulit yang menyentuh konduktor
langsung terbakar, sehingga tahanan dari kulit ini tidak berarti apaapa. Tahanan tubuh manusia ini yang dapat membatasi arus. Berdasarkan hasil penyelidikan oleh para ahli maka sebagai pendekatan diambil harga tahanan tubuh manusia sebesar 1000 Ohm. 3. Karakteristik Tanah Karakteristik tanah merupakan salah satu faktor yang mutlak diketahui karena mempunyai kaitan erat dengan perencanaan dan sistem grounding yang akan digunakan. Sesuai dengan tujuan grounding bahwa arus gangguan harus secepatnya terdistribusi secara merata ke dalam tanah, maka penyelidikan tentang karakteristik tanah sehubungan dengan pengukuran tahanan dan tahanan jenis tanah merupakan faktor penting yang sangat mempengaruhi besarnya tahanan grounding. Pada kenyataannya tahanan jenis tanah harganya bermacammacam, tergantung pada komposisi tanahnya dan faktor faktor lain. Untuk memperoleh harga tahanan jenis tanah yang akurat diperlukan pengukuran secara langsung pada lokasi pembangunan tower 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). Pada pemasangan sistem grounding dalam suatu lokasi tower, tidak jarang peralatan grounding tersebut ditanam pada dua atau lebih lapisan tanah yang berbeda yang berarti bahwa tahanan jenis tanah di tempat itu tidak sama. Ada beberapa faktor yang dapat mempengaruhi tahanan jenis tanah antara lain: Pengaruh temperatur Pengaruh gradien tegangan Pengaruh besarnya arus Pengaruh kandungan air Pengaruh kandungan bahan kimia
Pada sistem pengetanahan yang tidak mungkin atau tidak perlu untuk ditanam lebih dalam sehingga mencapai air tanah yang konstan, variasi tahanan jenis tanah sangat besar. Kadangkala pada penanaman elektroda memungkinkan kelembaban dan temperatur bervariasi, untuk hal seperti ini harga tahanan jenis tanah harus diambil dari keadaan yang paling buruk, yaitu tanah kering dan dingin. Berdasarkan harga inilah dibuat suatu perencanaan pengetanahan. Perbedaan tahanan jenis tanah akibat iklim biasanya terbatas sampai kedalaman beberapa meter dari permukaan tanah, selanjutnya pada bagian yang lebih dalam secara praktis akan konstan. 4. Konduktor Grounding Konduktor yang digunakan untuk grounding harus memenuhi beberapa persyaratan antara lain: a. Memiliki daya hantar jenis (conductivity) yang cukup besar sehingga tidak akan memperbesar beda potensial lokal yang berbahaya. b. Memiliki kekerasan (kekuatan) secara mekanis pada tingkat yang tinggi terutama bila digunakan pada daerah yang tidak terlindung terhadap kerusakan fisik. c. Tahan terhadap peleburan dari keburukan sambungan listrik, walaupun konduktor tersebut akan terkena magnitude arus gangguan dalam waktu yang lama. d. Tahan terhadap korosi. 5. Penentuan panjang elektroda grounding Kebutuhan akan konduktor grounding pada umumnya baru diperkirakan setelah diketahui tata letak peralatan yang akan diketanahkan serta sistem grounding yang akan digunakan. Sebagai dasar pertimbangan dalam penentuan panjang konduktor grounding umumnya digunakan tegangan sentuh, bukan tegangan langkah dan
tegangan pindah. Hal ini disebabkan karena tegangan langkah yang timbul di dalam instalasi yang terpasang pada switch yard umumnya lebih kecil daripada tegangan sentuh tersebut. Grounding peralatan Tower mula mula dilakukan dengan menanamkan batang konduktor tegak lurus permukaan tanah (rod). 6. Penentuan Jumlah Batang Pengetanahan Pada saat arus gangguan mengalir antara batang pengetanahan dengan tanah, tanah akan menjadi panas akibat i 2. Suhu tanah harus tetap di bawah 100 0 C untuk menjaga jangan sampai terjadi penguapan air kandungan dalam tanah dan kenaikan tahanan jenis tanah. 7. Bentuk-Bentuk Elektroda Grounding Grounding Rod (Elektroda Batang ), di bawah ini diperlihatkan disribusi tegangan yang terjadi untuk satu batang elektroda dan dua batang elektroda yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah, dimana arus kesalahan mengalir dari elektroda tersebut ke tanah sekitarnya. Gambar I.7 Distribusi tegangan sekitar satu batang elektroda Dimana : Ux : teagangan elektroda grounding atau tegangan antara elektroda dengan tanah x : jarak dari elektroda
Gambar I.8 Distribusi Tegangan sekitar dua batang elektroda Dengan demikian untuk jumlah elektroda yang lebih banyak yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah maka tahanan grounding semakin kecil dan distribusi tegangan akan lebih merata. Kapasitansi ini termasuk kapasitansi dari bayangan konduktor yang ditanam ke dalam tanah. Untuk menghitung kapasitansi elektroda grounding dan bayangan, digunakan metode potensial rata rata menurut G.W.O Home. Dalam persoalan grounding, elektroda grounding merupakan bahan penghantar yang membawa muatan listrik yang terdistribusi (menyebar) disekeliling elektroda grounding. Dengan cara seperti ini potensial di setiap tempat pada permukaan elektroda akan sama. Bila pada elektroda tersebut diberikan suatu muatan yang merata, maka kapasitansi dapat dihitung dengan metode potensial rata rata. Dua batang elektroda tegak lurus ke dalam tanah. Susunan dari dua batang elektroda berbentuk selinder dengan panjang L yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah dengan jarak antara ke dua elektroda tersebut sebesar S terlihat pada gambar di bawah. Nilai tahanan grounding dan tahanan jenis tanah yang relatif tinggi, maka untuk menguranginya dengan cara menanamkan batangbatang elektroda grounding dalam jumlah yang cukup banyak. Untuk dua batang elektroda grounding yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah oleh Dwight, JL. Marshall dengan memperhatikan efek
bayangan biasanya adalah dengan menghitung tegangan pada salah satu batang elektroda yang disebabkan oleh distribusi muatan yang merata di batang elektroda itu sendiri dan pada batang elektroda yang lain termasuk bayangannya. Dengan menghitung tegangan rata-rata yang disebabkan oleh muatan batang elektroda itu sendiri dan menghitung tegangan rata-rata yang disebabkan oleh muatan batang elektroda yang lain. Tegangan total rata-rata diperoleh dengan menjumlahkan antara keduanya. Gambar I.9 Dua batang elektroda ditanam tegak lurus ke dalam tanah Beberapa batang elektroda (Multiple-Rod) yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah. Jika susunan batang batang elektroda yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah dalam jumlah yang lebih banyak, maka tahanan grounding akan semakin kecil dan distribusi tegangan pada permukaan tanah akan lebih merata. Penanaman elektroda yang tegak lurus ke dalam tanah dapat berbentuk bujur sangkar atau empat persegi panjang dengan jarak antara batang elektroda grounding adalah sama seperti pada dalam gambar berikut : Gambar I.10 Beberapa batang elektroda ditanam tegak lurus ke dalam tanah
Pemasangan grounding (pentanahan) pada bangunan dan menara untuk perlindungan terhadap sambaran petir. Kontinuitas penyaluran tenaga listrik sangat tergantung dari keandalan sistem groundingnya. Sebuah bangunan gedung agar terhindar dari bahaya sambaran petir dibutuhkan nilai tahanan grounding <5 ohm (PUIL 2000), sedangkan untuk grounding peralatan-peralatan elekronika dibutuhkan nilai tahanan grounding <3 ohm bahkan beberapa perangkat membutuhkan nilai tahanan grounding <1 ohm. Untuk mendapatkan nilai tahanan grounding yang sekecil mungkin sangat sulit, karena nilai tahanan grounding dipengaruhi beberapa factor seperti : jenis tanah, jenis sistem grounding, suhu dan kelembaban, kandungan elektrolit tanah dan lain-lain. Untuk dapat memperkecil nilai tahanan grounding dapat dilakukan dengan penambahan zat aditip pada tanah. Zat aditip tersebut dapat berupa garam, bentonit, air, serbuk besi dan lain-lain. Namun zat aditif tersebut memiliki keterbatasan umur. Zat aditif tidak dapat berfungsi dengan baik pada waktu yang cukup lama. Sebuah sistem grounding harus dievaluasi setiap 6 bulan untuk mengetahui kelayakan operasi sistem grounding untuk dapat dilanjutkan (PUIL,2000) akibat penurunan kualitas tahanan grounding. Beberapa jenis elektroda grounding yang biasa digunakan : Elektroda Pita Elektroda Batang Elektroda Pelat Pemilihan ukuran diameter konduktor grounding dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu : Tidak melebur atau rusak apabila dialiri arus kesalahan yang mungkin terjadi. Tahan secara mekanis terhadap tekanan-tekanan yang mungkin timbul. Mempunyai konduktivitas yang baik dan merata.
Klasifikasi tanah adalah suatu sistem pengaturan beberapa jenis tanah yang berbeda-beda, tapi mempunyai sifat yang serupa kedalam kelompok-kelompok atau sub-sub kelompok tertentu. Dari sudut pandang teknis, tanah dapat digolongkan menjadi beberapa pokok yaitu : Batu krikil (gravel), pasir ( Sand), Lanau (Silt), Lempung (Clay). Jenis tanah pada daerah kedalaman yang terbatas tergantung dari beberapa faktor yaitu : Jenis tanah : tanah liat, berpasir, berbatu dan lain-lain. Lapisan tanah : berlapis-lapis dengan tahanan berbeda atau uniform. Kelembaban tanah. Temperatur. Teknik Pengkondisian Tanah terdapat bermacam-macam yaitu teknik bentonit, teknik kokas atau arang, teknik tepung logam, teknik garam, teknik semen konduktif. Komposisi zat-zat kimia dalam tanah, adanya kandungan zat-zat kimia pada tanah terutama zat-zat rganic maupun zat anorganik yang dapat larut sangat penting diperhatikan pada keperluan penanaman sistem grounding. Pada daerah yang memiliki curah hujan yang tinggi biasanya mempunyai tahanan jenis tanah yang tinggi dipermukaan yang disebabkan karena kandungan garam pada lapisan atas akan larut (Huwae, 2004). Petir merupakan hasil pemisahan muatan listrik secara alami di dalam awan badai. Di dalam awan terjadi pemisahan muatan. Beberapa teori menyatakan bahwasanya didalam awan badai, terdapat kristal es bermuatan positif, sedangkan titik air bermuatan negatif. Mekanisme selanjutnya adalah peluahan petir yang diawali dengan pengembangan sambaran perintis (stepped downward leader ). Gerakan ke bawah ini bertahap sampai dekat ke tanah, sehingga muatan negatif yang dibawa oleh stepped leader tersebut memperbesar induksi muatan positif di permukaan tanah, akibatnya gradien tegangan antara dasar awan dengan tanah semakin besar.
Apabila kedua akumulasi muatan ini saling tarik, maka muatan positif dalam jumlah yang besar akan bergerak ke atas menyambut gerakan stepped leader yang bergerak kebawah, akhirnya terjadi kontak pertemuan antara keduanya. Gerakan keatas muatan positif tersebut membentuk suatu streamer yang bergerak ke atas (upward moving streamer), atau yang lebih populer disebut sebagai sambaran balik (return stroke) yang menyamakan perbedaan potensial. Ruang proteksi dari suatu penangkal petir adalah berbentuk kerucut dengan sudut puncak kerucut berkisar antara 30 derajat hingga 60 derajat. Besarnya jari-jari ini sama dengan besarnya jarak sambar dari lidah petir. Jarak sambar dari lidah petir ini ditentukan oleh besarnya arus petir yang terjadi. Dengan demikian, derajat kelengkungan dari bidang miring kerucut dipengaruhi oleh besarnya arus petir yang terjadi. Sambaran petir dapat menimbulkan gangguan pada sistem tenaga listrik. Pada bangunan bertingkat atau menara, efek gangguan akibat sambaran petir ini semakin besar sesuai dengan semakin tingginya bangunan tersebut. Penentuan besarnya kebutuhan bangunan akan proteksi petir menggunakan standar Peraturan Umum Instalasi Penangkal Petir (PUIPP), National Fire Protection Association (NFPA) 780 dan International Electrotechnical Commision (IEC)1024-1-1. Pada tower yang tinggi dan memiliki jarak antar menara yang lebar, sambaran petir yang mengenai tower tersebut akan semakin banyak. Hal ini menunjukan bahwa jumlah sambaran yang mengenai menara dipengaruhi oleh tinggi menara dan lebar span (jarak antar menara). Semakin tinggi menara maka lebar daerah perlindungan semakin besar, sehingga luasan daerah perlindungan antar menara juga lebar. Pada daerah yang lebar kemungkinan petir menyambar daerah tersebut juga akan semakin tinggi. Untuk penentuan kebutuhan akan Proteksi Petir dapat
dilakukan penentuan jenis kategori menara berdasar pada Peraturan Umum Instalasi Penangkal Petir (PUIPP) Untuk mendapatkan nilai tahanan grounding yang sekecil mungkin sangat sulit, karena nilai tahanan grounding dipengaruhi beberapa factor seperti : jenis tanah, jenis sistem grounding, suhu dan kelembaban, kandungan elektrolit tanah dan lain-lain. Untuk dapat memperkecil nilai tahanan grounding dapat dilakukan dengan penambahan zat aditip pada tanah. Zat aditip tersebut dapat berupa garam, bentonit, air, serbuk besi dan lain-lain. Namun zat aditif tersebut memiliki keterbatasan umur. Zat aditif tidak dapat berfungsi dengan baik pada waktu yang cukup lama. Sebuah sistem grounding harus dievaluasi setiap 6 bulan untuk mengetahui kelayakan operasi sistem grounding untuk dapat dilanjutkan (PUIL,2000) akibat penurunan kualitas tahanan grounding. Gambar I.11 Pemasangan grounding (pentanahan) pada bangunan dan menara
Sistem Proteksi Internal, Menahan Pengaruh Petir pada Perangkat. Sistem proteksi eksternal (External Protection) adalah sistem proteksi terhadap sambaran langsung dengan cara memasang konduktor dibagian atas object yang dilindungi disebut dengan instalasi penyalur petir. Sistem ini harus dirancang dengan persyaratan tertentu antara lain : Elektroda penerima harus dibuat runcing, dengan ketinggian dan jarak tertentu sehingga masing-masing elektroda penerima melindungi bangunan dengan sudut perlindungan 110 derajat. Hantaran penurunan dan elektroda grounding minimal 2 buah pada setiap bangunan dan harus dipasang sejauh mungkin dari pintu bangunan Resistansi grounding minimal 3 Ohm. Bila dari hasil pengukuran resistan grounding tidak memenuhi syarat akan dapat mengundang bahaya. Akibat sambaran petir langsung ataupun sambaran tidak langsung maka tegangan kejut / arus kejut masih bisa muncul dalam bangunan gedung. Tegangan dan kejut tersebut juga dapat muncul melalui hubungan kapasitif pada perkabelan, atau melalui gelombang elektro magnetik yang menembus tembok gedung dan tertangkap oleh perkabelan ( kabel listrik, telepon, data, wave guide antena ) sehingga menimbulkan induksi transient. Karena itu, selain sistem grounding diperlukan Sistem proteksi internal. (Internal Protection). Sistem proteksi internal (Internal Protection) adalah system proteksi terhadap sambaran petir secara tidak langsung, misalnya imbas melalui grounding listrik, menyambar jaringan listrik sehingga jaringan listrik bertegangan petir. Metode pengamanan terhadap sambaran tidak langsung dengan prinsip memotong arus dan menyamakan tegangan dengan memasang arester Arester yang dipasang digunakan untuk membatasi tegangan lebih, dan pada prinsipnya terdiri atas rangkaian seri. DEngan pemasangan arester maka teganga lebih impuls akibat petir secara aman akan disalurkan ke bumi.
Akibat Petir terjadi Transient, yaitu Tegangan Kejut ( Surge Voltage ) dan Arus Kejut ( Surge Current ) yang besar bahkan bisa mencapai ratusan ribu Volt dan ratusan ribu Ampere, dan hanya berlangsung dalam sekejap. Transient ini berenergi besar dan bisa menimbulkan loncatan bunga api listrik ( Spark ) sehingga menimbulkan kerusakan di tempat yang tak terkontrol. Semakin canggih perangkat elektronik/telekomunikasi maka semakin pekalah peralatan tersebut pada gangguan transient. Kerusakan yang ditimbulkannya baik melalui sambaran langsung ataupun sambaran tidak langsung yang sering terjadi (terutama melalui induksi) dapat berakibat fatal bagi perangkat. Down Time perangkat yang merugikan, misalnya walaupun yang rusak hanya beberapa card control pada perangkat yang harganya hanya ratusan ribu rupiah tetapi dapat mengakibatkan tidak berfungsinya sebuah sistem. Jenis kerusakan akibat sambaran petir sangat tergantung pada besar kecilnya petir dan sensitivitas peralatan. Adapun jenis kerusakan tsb diantaranya adalah Kerusakan yang kelihatan secara visual, misalnya terbakarnya komponen perangkat /module. Damage pada data-data penting atau berubahnya output dari suatu perangkat ( Out of spec) sehingga harus di reset / di setting ulang. Menyebabkan terjadinya degradasi lifetime/umur peralatan. Transient yang berbahaya ini dapat masuk baik melalui hubungan langsung ( konduksi ), melalui induksi arus pada line kabel ( kabel listrik, kabel telepon, kabel data, kabel antena / waveguide antena ), ataupun melalui hubungan kapasitif. Yang paling sering menimbulkan kerusakan adalah transientinduksi. Ledakan petir yang terjadi sangat jauh sekalipun ( belasan kilometer dari lokasi perangkat ) dapat menimbulkan induksi transient yang cukup berbahaya bagi perangkat elektronik yang peka.
Perambatan gelombang elektro-magnetik yang tertangkap di perkabelan listrik, telepon, kabel data, kabel antena / wave guide akan menimbulkan tegangan kejut ataupun arus kejut, dimana besar tegangan kejut atau arus kejut tersebut tergantung pada besarnya rambatan gelombang elektro magnetik, dan pada panjangnya perkabelan / konduktor yang menangkap rambatan tersebut. Sambaran petir langsung pada perangkat ataupun pada line PLN terdekat jarang terjadi, tetapi akibatnya tentu akan fatal karena bisa menimbulkan kerusakan banyak perangkat ataupun kerugian yang sangat besar. Selain petir, penyebab utama dari transient adalah Power Switching Operation, yaitu saat menyalakan dan terutama mematikan beban besar, misalnya AC kapasitas besar. Prinsip dasar sistem proteksi internal adalah Pembatasan Tegangan ( Equipotential ) gunanya untuk membatasi tegangan kejut ataupun tegangan lebih menjadi dibawah daya tahan isolasi perangkat ( agar sesuai dengan spesifikasi teknis yang diijinkan pada perangkat ). Sehingga tidak terjadi spark yang menimbulkan kerusakan. Pembuangan Arus Kejut yang bersifat merusak / yang diluar spek teknis perangkat, agar tidak masuk kedalam peralatan. Alat proteksi yang dipakai ini tidak boleh mengganggu karakteristik dari rangkaian listrik ataupun line data yang dilindungi, dan hanya berfungsi kalau ada tegangan dan arus kejut. Sistem proteksi internal pada prinsipnya adalah berupa pemasangan Arester antara line konduktor dan grounding. Pemasangan arester ini harus di sesuaikan antara type arester dengan spesifikasi teknis perangkat yang akan diproteksi. Perlindungan bertahap harus dilakukan karena sifat arester yang dapat di produksi oleh pabrik, yaitu berhubungan dengan kemampuan dan kecepatan respon dari arester untuk membuang energi transient ke ground.
Arester yang mempunyai kemampuan membuang energi yang lebih besar mempunyai respon yang lebih lambat dibanding dengan arester yang mempunyai daya buang yang lebih kecil. Arester yang daya buangnya lebih kecil tapi mempunyai respon yang lebih cepat juga berfungsi membuang bocoran energi transient dari arester sebelumnya yang belum sempat dishortkan ke ground. Harus kita sadari bahwa kecepatan rambat energi transient petir ini sangat cepat, hanya dalam ukuran nano detik. Disamping itu, arester kecepatan tinggi ini juga diperlukan memproteksi perangkat dari arus transient yang timbul akibat hubungan kapasitip ataupun induktip konduktor ( penghantar ) pada saat ada sambaran petir langsung maupun yang tidak langsung, atau dapat juga diakibatkan oleh switching beban-beban kapasitip / induktip yang besar. Urutan penempatan arester tidak boleh dibalik, sebab bila arester yang kecepatannya lebih tinggi dengan daya buang yang lebih kecil di tempatkan di zona awal maka dapat mengakibatkan arester akan rusak, ditandai dgn perubahan warna pada indikatornya. Syarat syarat sistem pentanahan yang efektif 1. Tahanan pentanahan harus memenuhi syarat yang di inginkan untuk suatu keperluan pemakaian 2. Elektroda yang ditanam dalam tanah harus : Bahan Konduktor yang baik Tahan Korosi Cukup Kuat 3. Jangan sebagai sumber arus galvanis 4. Elektroda harus mempunyai kontak yang baik dengan tanah sekelilingnya. 5. Tahanan pentanahan harus baik untuk berbagai musim dalam setahun. 6. Biaya pemasangan serendah mungkin.
Tahanan pentanahan suatu elektroda tergantung pada tiga faktor : 1. Tahanan elektroda itu sendiri dan penghantar yang menghubungkan ke peralatan yang ditanahkan. 2. Tahan kontak antara elektroda dengan tanah. 3. Tahanan dari massa tanah sekeliling elektroda. Namun demikian pada prakteknya tahanan elektroda dapat diabaikan, akan tetapi tahanan kawat penghantar yang menghubungkan keperalatan akan mempunyai impedansi yang tinggi terhadap impuls frekuensi tinggi seperti misal pada saat terjadi lightningdischarge. Untuk menghindarinya, sambungan ini di usahakan dibuat sependek mungkin. Dari ketiga faktor tersebut diatas yang dominan pengaruhnya adalah tahanan sekeliling elektroda atau dengan kata lain tahanan jenis tanah (ρ). Dari rumus untuk menentukan tahanan tanah dari statu elektroda yang hemispherical R ρ/2πr terlihat bahwa tahanan pentanahan berbanding lurus dengan besarnya ρ. Untuk berbagai tempat harga ρ ini tidak sama dan tergantung pada beberapa faktor : 1. sifat geologi tanah 2. Komposisi zat kimia dalam tanah 3. Kandungan air tanah 4. Temperatur tanah 5. Selain itu faktor perubahan musim juga mempengaruhinya. Sifat Geologi Tanah, ini merupakan faktor utama yang menentukan tahanan jenis tanah. Bahan dasar dari pada tanah relatif bersifat bukan penghantar. Tanah liat umumnya mempunyai tahanan jenis terendah, sedang batu-batuan dan quartz bersifat sebagai insulator. Kandungan zat zat kimia dalam tanah terutama sejumlah zat organik maupun anorganik yang dapat larut perlu untuk diperhatikan pula. 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. Kandungan air tanah sangat berpengaruh terhadap perubahan tahanan jenis tanah ( ρ ) 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 naik samapai 30 kali. Kenaikan kandungan air tanah diatas 20% pengaruhnya sedikit sekali. Temperatur bumi pada kedalaman 5 feet ( 1,5 m) biasanya stabil terhadap perubahan temperatur permukaan. Bagi Indonesia daerah tropic perbedaan temperatur selama setahun tidak banyak, sehingga faktor temperatur boleh dikata tidak ada pengaruhnya. Pada dasarnya ada 3 (tiga) jenis elektroda yang digunakan pada sistem pentanahan yaitu : 1. Elektroda Batang Elektroda batang terbuat dari batang atau pipa logam yang di tanam vertikal di dalam tanah. Biasanya dibuat dari bahan tembaga, stainless steel atau galvanised steel. Perlu diperhatikan pula dalam pemilihan bahan agar terhindar dari galvanic couple yang dapat menyebabkan korosi. Ukuran Elektroda : diameter 5/8-3/4 Panjang 4 feet 8 feet. Elektroda batang ini mampu menyalurkan arus discharge petir maupun untuk pemakaian pentanahan yang lain. Gambar I.12 Elektroda Batang 2. Elektroda Pelat Bentuk elektroda pelat biasanya empat perseguí atau empat persegi panjang yang tebuat dari tembaga, timah atau pelat baja yang ditanam didalam tanah. Cara penanaman biasanya secara vertical, sebab dengan menanam secara horizontal hasilnya tidak berbeda jauh
dengan vertical. Penanaman secara vertical adalah lebih praktis dan ekonomis. Gambar I.13 Elektroda Pelat 3. Elektroda Pita Elektroda pita jenis ini terbuat dari bahan metal berbentuk pita atau juga kawat BCC yang di tanam di dalam tanah secara horizontal sedalam ± 2 feet. Elektroda pita ini bisa dipasang pada struktur tanah yang mempunyai tahanan jenis rendah pada permukaan dan pada daerah yang tidak mengalami kekeringan. Hal ini cocok untuk daerah daerah pegunungan dimana harga tahanan jenis tanah makin tinggi dengan kedalaman. Gambar I.14 Elektroda Pita Bagi daerah daerah yang mempunyai struktur tanah dengan tahanan jenis tanah yang tinggi untuk memperoleh tahanan pentanahan yang diinginkan seringkali sukar diperoleh. Ada tiga cara untuk
mengkondisikan tanah agar pada lokasi elektroda ditanam tahanan jenis tanah menjadi rendah, yaitu : 1. Dengan membuat lubang penanaman elektroda yang lebar dan dimasukkan mengelilingi elektroda tersebut bahan bahan seperti tanah liat atau cokas. 2. Mengelilingi elektroda pada statu jarak tertentu diberi zat-zat nimia yang mana akan memperkecil tahanan jenis tanah di sekitarnya. Zatzat nimia yang biasa di pakai adalah sodium chloride, calsium chloride, magnesium sulfat, dan coper sulfat. 3. Dengan Bentonite, bubuk bentonita bersifat mengabsorb air, karena itu dengan mencampur bubuk bentonite, garam dapur dan air maka campuran bentonite tersebut dapat menghasilkan tahanan jenis tanah yang rendah. Dengan menanamkan campuran bentonite tersebut disekeliling elektroda maka tahanan pentanahandapat diperkecil 1/10 1/15 kali. Komposisi campuran bentonite menurut perbandingan Bentonite : garam dapur : air 1 : 0,2 : 2 Sistem pentanahan baik untuk pentanahan netral dari suatu sistem tenaga listrik, pentanahan system penangkal petir dan pentanahan untuk peralatan khususnya telekomunikasi perlu mendapatkan perhatian serius, karena pada dasarnya pentanahan tersebut merupakan dasar perhitungan suatu proteksi. Harga tahanan jenis tanah pada daerah kedalaman yang terbatas tidaklah sama. Beberapa faktor yang mempengaruhi tahanan jenis tanah yaitu : Keadaan struktur tanah antara lain ialah struktur geologinya, seperti tanah liat, tanah rawa, tanah berbatu, tanah berpasir, tanah gambut dan sebagainya. Unsur kimia yang terkandung dalam tanah, seperti garam, logam, dan mineral-mineral lainnya. Keadaan iklim, basah atau kering. Temperatur tanah dan jenis tanah.
Adapun beberapa metode pengukuran tahanan pembumian antara lain sebagai berikut : 1. 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 dibawah. Gambar I.15 Pengukuran Metode Von Werner 2. Pengukuran dengan Volt meter dan Amperemeter Cara pengukuran adalah seperti terlihat pada Gambar Penghantar pembumian dihubungkan dengan penghantar phasa instalasi melalui gawai proteksi arus lebih, sakelar, tahanan yang dapat diatur dari 20 Ω sampai 1000Ω, dan Amperemeter Gambar I.16 Pengukuran dengan Volt meter dan Amperemeter 3. Pengukuran dengan menggunakan Earth Tester
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 Gambar I.17 Pengukuran dengan menggunakan Earth Tester 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.
I. 3. Metode Pelaksanaan Praktikum I.3.1 Alat Yang Digunakan Earth Tester Elektroda Pentanahan (pipa, batang, dan plat) Penumbuk (palu) Jamper (kabel penghubung)
I.3.2 Gambar Percobaan a. Pengukuran Tahanan Tanah Dengan Satu Eketroda b. Pengukuran Tahanan Tanah Dengan Dua Eketroda
I.3.3 Prosedur Percobaan 1. Sebelum menggunakan alat Earth Tester periksa battery dengan menekan tombol Off. Bila jarum alat menunjuk daerah good maka alat dapat dipergunakan. 2. Membuat hubungan seperti gambar percobaan mulai dengan kedalaman elektroda tertentu. Mengukur nilai tahanan pentanahan dengan menekan tombol MEAS dan x 1 Ohm, bila belum terbaca tekan x 100 Ohm dan seterusnya. 3. Mengulangi point diatas dengan mengubah kedalaman elektroda sampai 3 kali. 4. Mengulangi point 2 dan 3 dengan jarak tanah yang berbeda dan jenis elektroda.
I. 4. Tabel Hasil Pengamatan dan Pembahasan Tabel Data Pengamatan 1. Jenis tanah Sawah Lokasi Tanjung Jenis Elektroda Batang tembaga 5/8 Jumlah Elektroda (buah) 1 2 2. Jenis tanah Kedalaman (cm) Tahanan (Ω) 30 200 40 150 50 120 60 115 70 100 30 140 40 90 50 74 60 66 70 56 Tanah merah (kering)
Lokasi Tanjung Jenis Elektroda Batang tembaga 5/8 Jumlah Elektroda (buah) Kedalaman (cm) Tahanan (Ω) 30 280 40 200 50 125 60 100 70 88 30 240 40 140 50 100 60 68 70 53 1 2 3. Jenis tanah Lokasi Pasir Tanjung
Jenis Elektroda Batang tembaga 5/8 Jumlah Elektroda (buah) Kedalaman (cm) Tahanan (Ω) 30 10 40 8 50 6 60 4 70 3 30 5 40 4 50 3 60 2.5 70 2 1 2 Nilai Top Secara Analisis Teori 1. Jenis tanah Lokasi Tanjung Sawah
Jenis Elektroda d Batang tembaga 5/8 5 Inc 2.54 8 1.5875 cm a 0,794 cm Satu Elektroda i 1 2 3.14 997,2 2 2 3 2 4 2 5 2 0,794 150 0,794 120 0,794 115 3.14 498,6 200 3.14 573,4 3.14 598,3 0,794 3.14 747,9 0,794 100
rata rata n 997,2 + 747,9 + 598,3 + 573,4 + 498,6 5 683,08 R i R1 rata rata 4l ln 1 2 l d 683,08 4 30 1 ln 2 3.14 30 1.5875 15,62 R2 683,08 4 40 1 ln 2 3.14 40 1.5875 12,50 R3 683,08 4 50 1 ln 2 3.14 50 1.5875 10,48 R4 683,08 4 60 1 ln 2 3.14 60 1.5875
9,08 R5 683,08 4 70 1 ln 2 3.14 70 1.5875 8,01 Dua Elektroda i 1 2 3.14 698,08 2 2 3 2 4 2 5 2 140 0,794 90 0,794 74 3.14 329,09 3.14 368,98 0,794 3.14 448,76 0,794 66 3.14 0,794 56
279,23 rata rata i n 698,08 + 448,76 + 368,98 + 329,09 + 279,23 5 423,028 R rata rata 4l ln 1 2 l d R1 423,028 4 30 1 ln 2 3.14 30 1.5875 9,67 R2 423,028 4 40 1 ln 2 3.14 40 1.5875 7,74 R3 423,028 4 50 1 ln 2 3.14 50 1.5875 6,49 R4 423,028 4 60 1 ln 2 3.14 60 1.5875 5,62
R5 423,028 4 70 1 ln 2 3.14 70 1.5875 5,16 2. Jenis tanah Tanah merah (kering) Lokasi Tanjung Jenis Elektroda Batang tembaga 5/8 d 5 Inc 2.54 8 1.5875 cm a 0,794 cm
Satu Elektroda i 1 2 3.14 1396,16 2 2 3 2 4 2 5 2 rata rata n i 0,794 200 0,794 125 0,794 100 3.14 438,79 280 3.14 498,63 3.14 623,29 0,794 3.14 997,26 0,794 9
1396,16 + 997,26 + 623,29 + 498,63 + 438,79 5 790,8 R rata rata 4l ln 1 2 l d R1 1790,8 4 30 1 ln 2 3.14 30 1.5875 40,90 R2 1790,8 4 40 1 ln 2 3.14 40 1.5875 32,7 R3 1790,8 4 50 1 ln 2 3.14 50 1.5875 27,48 R4 1790,8 4 60 1 ln 2 3.14 60 1.5875 23,81
R5 1790,8 4 70 1 ln 2 3.14 70 1.5875 21,02 Dua Elektroda i 1 2 3.14 1196,7 2 2 3 2 4 2 5 2 0,794 140 0,794 100 0,794 68 3.14 264,27 240 3.14 339,06 3.14 498,63 0,794 3.14 698,08 0,794 53
rata rata n i 1196,7 + 698,08 + 498,63 + 339,06 + 264,27 5 599,34 R rata rata 4l ln 1 2 l d R1 599,34 4 30 1 ln 2 3.14 30 1.5875 13,71 R2 599,34 4 40 1 ln 2 3.14 40 1.5875 10,97 R3 599,34 4 50 1 ln 2 3.14 50 1.5875 9,20
R4 599,34 4 60 1 ln 2 3.14 60 1.5875 7,96 R5 599,34 4 70 1 ln 2 3.14 70 1.5875 7,03 3. Jenis tanah Pasir Lokasi Tanjung Jenis Elektroda Batang tembaga 5/8 d 5 Inc 2.54 8 1.5875 cm a 0,794 cm Satu Elektroda i 1 2 3.14 49,86 2 2 0,794 10 3.14 10,794 8
39,89 3 2 3.14 2 3.14 2 3.14 14,9 0,794 0,794 6 4 3 i n 49,86 + 39,89 + 29,9 + 19,9 + 14,9 5 30,89 R rata rata 0,794 19,9 5 29,9 4 rata rata 4l ln 1 2 l d R1 30,89 4 30 1 ln 2 3.14 30 1.5875 0,70
R2 30,89 4 40 1 ln 2 3.14 40 1.5875 0,56 R3 30,89 4 50 1 ln 2 3.14 50 1.5875 0,47 R4 30,89 4 60 1 ln 2 3.14 60 1.5875 0,41
R5 30,89 4 70 1 ln 2 3.14 70 1.5875 0,36 Dua Elektroda i 1 2 3.14 24,93 2 2 3 2 4 2 5 2 10 4 10 3 10 2,5 3.14 9,97 3.14 12,46 5 3.14 14,95 0,794 3.14 19,94 10 2
rata rata n 24,93 19,94 14,95 12,46 9,97 5 16,45 R i rata rata 4l ln 1 2 l d R1 16,45 4 30 1 ln 2 3.14 30 1.5875 0,37 R2 16,45 4 40 1 ln 2 3.14 40 1.5875 0,30 R3 16,45 4 50 1 ln 2 3.14 50 1.5875 0,25 R4 16,45 4 60 1 ln 2 3.14 60 1.5875 0,21
R5 16,45 4 70 1 ln 2 3.14 70 1.5875 0,19 Tabel Perbandingan 1. Jenis tanah Sawah Lokasi Tanjung Jenis Elektroda Batang tembaga 5/8 Jumlah Elektroda (buah) I II (jarak 1.5 m) Kedalaman (cm) Tahanan (Ω) Praktek Analisis 30 200 15,62 40 150 12,50 50 120 10,48 60 115 9,08 70 100 8,01 30 140 9,67 40 90 7,74 50 74 6,49 60 66 5,62 70 56 5,16
2. Jenis tanah Tanah Merah (kering) Lokasi Tanjung Jenis Elektroda Batang tembaga 5/8 Jumlah Elektroda (buah) I II (jarak 1.5 m) 3. Jenis tanah Kedalaman (cm) Tahanan (Ω) Praktek Analisis 30 280 40,90 40 200 32,7 50 125 27,48 60 100 23,81 70 88 21,02 30 240 13,71 40 140 10,97 50 100 9,20 60 68 7,96 70 53 7,03 Pasir
Lokasi Tanjung Jenis Elektroda Batang tembaga 5/8 Jumlah Elektroda (buah) Kedalaman (cm) I II (jarak 1.5 m) Tahanan (Ω) Praktek Analisis 30 10 0,70 40 8 0,56 50 6 0,47 60 4 0,41 70 3 0,36 30 5 0,37 40 4 0,30 50 3 0,25 60 2.5 0,21 70 2 0,19 Grafik Perbandingan Data Teori dengan Data Praktek 1. Jenis tanah Sawah Lokasi Tanjung Jenis Elektroda Batang tembaga 5/8 Satu Elektroda
250 200 200 150 150 Tahanan (Ω) 120 115 Praktek 100 100 50 15.62 0 12.5 10.48 9.08 8.01 40 50 60 70 30 Analisis Kedalaman Elektroda (cm) Dua Elektroda 160 140 140 120 90 100 Tahanan (Ω) 74 80 66 56 60 Analisis 40 209.67 0 7.74 6.49 5.62 5.16 40 50 60 70 30 Kedalaman Elektroda (cm) 2. Jenis tanah Tanah Merah (kering) Lokasi Tanjung Jenis Elektroda Batang tembaga 5/8 Satu Elektroda Praktek
12 10 8 Tahanan (Ω) 6 4 2 1 0 Kedalaman Elektroda (cm) Dua Elektroda 300 240 250 200 140 Tahanan (Ω) 150 100 Analisis 68 50 13.71 10.97 0 Praktek 100 30 40 53 9.2 7.96 7.03 50 60 70 Kedalaman Elektroda (cm) 3. Jenis tanah Pasir Lokasi Tanjung Jenis Elektroda Batang tembaga 5/8 Satu Elektroda
12 10 10 8 8 6 Tahanan (Ω) 6 Praktek 4 4 3 2 0.7 0 30 0.56 0.47 0.41 0.36 40 50 60 70 Analisis Kedalaman Elektroda (cm) Dua Elektroda 6 5 5 4 4 3 Tahanan (Ω) 3 2.5 2 2 Analisis 1 0.37 0 30 0.3 0.25 0.21 0.19 40 50 60 70 Kedalaman Elektroda (cm) Tabel Analisa 1. Jenis tanah Praktek Hitam Basah Lokasi Belakang Perpus UMI Jenis Elektroda Batang tembaga 5/8
2. Jenis tanah Tanah Merah Timbunan Lokasi Lapangan UMI Jenis Elektroda Batang tembaga 5/8
3. Jenis tanah Pasir Basah Lokasi Tanjung Jenis Elektroda Batang tembaga 5/8 4. Jenis tanah Rawah Lokasi Hertasning Baru Jenis Elektroda Batang tembaga 5/8