2.2 Sistem Pentanahan
Salah satu faktor kunci dalam setiap pengamanan atau perlindungan rangkaian listrik, baik keamanan bagi peralatan maupun keamanan bagi manusia. adalah dengan cara menghubungkan bagian dari peralatan dengan sistem pentanahan. Pentanahan adalah penghubung suatu titik rangkaian listrik atau suatu penghantar yang bukan bagian dari rangkaian listrik dengan bumi menurut cara tertentu. Agar sistem pentanahan dapat bekerja secara efektif, harus memenuhi persyaratan-persyaratan sebagai berikut1 :
1. Membuat jalur impedansi yang rendah ke tanah untuk pengamanan personil dan peralatan, menggunakan rangkaian yang efektif.
2. Menggunakan elektroda pentanahan yang tahan korosi terhadap berbagai macam kondisi kimiawi tanah, untuk meyakinkan kontinuitas penampilannya sepanjang umur peralatan yang dilindungi.
3. Dapat melawan dan menyebarkan gangguan berulang dan arus akibat surja hubung (surge current).
4. Menggunakan sistem mekanik yang kuat namun mudah dalam pelayanan.
2.2.1 Fungsi Pentanahan
Fungsi pentanahan adalah untuk mengalirkan arus gangguan ke dalam tanah melalui suatu elektroda pentanahan yang ditanam dalam tanah bila terjadi gangguan. Di samping itu, berfungsi sebagai pengaman baik bagi manusia maupun peralatan dari bahaya listrik. Arus gangguan yang mengalir pada elektroda pentanahan akan mengakibatkan perbedaan tegangan antara elektroda pada suatu titik dengan titik yang lain dipermukaan tanah. Bila perbedaan maksimum sepanjang permukaan tanah ternyata masih begitu besar, maka kondisi
ini sangat tidak menguntungkan karena akan membahayakan personil/manusia yang sedang bekerja maupun peralatan yang sedang digunakan. Untuk mengurangi pengaruh tersebut, maka haruslah dapat direncanakan suatu sistem
pentanahan dengan harga tahanan pentanahan yang sekecil mungkin.
2.2.2 Tujuan Pentanahan2
Tujuan pertama dari pentanahan, yaitu untuk mengatasi tegangan antara bagian-bagian peralatan yang tidak dilalui arus antara bagian-bagian ini dengan tanah sampai pada suatu harga yang aman (tidak membahayakan) untuk semua kondisi operasi normal atau tidak normal. Untuk mencapai tujuan ini, suatu sistem pentanahan yang baik sangat dibutuhkan. Gunanya adalah untuk memperoleh potensial yang merata (Uniform) dalam semua bagian peralatan dan juga menjaga agar manusia yang berada di daerah tersebut mempunyai potensial yang berada di daerah tersebut mempunyai potensial yang sama dan tidak berbahaya pada setiap waktu.
Dengan tercapainya potensial yang hampir merata pada semua titik dalam sistem pentanahan ini, kemungkinan timbulnya perbedaan potensial yang besar pada jarak yang dapat dicapai oleh manusia saat terjadi hubung singkat ke tanah menjadi sangat kecil.
Sedangkan tujuan kedua dari pentanahan ini adalah untuk memperoleh impedansi yang kecil (rendah). Kecelakaan pad personil/manusia dapat timbul pada saat terjadi hubung singkat ke tanah. Jadi, bila arus hubung singkat ke tanah
itu dipaksakan mengalir melalui impedansi yang tinggi, ini akan menimbulkan perbedaan potensial yang besar dan berbahaya.
Secara umum tujuan pentanahan ini dapat diformulisakan sebagai berikut:
1. Mencegah terjadinya tegangan kejut listrik yang berbahaya untuk orang dalam daerah itu.
2. Untuk memungkinkan timbulnya arus tertentu baik besarnya maupun lamanya dalam keadaan gangguan tanah tanpa menimbulkan kebakaran atau ledakan pada bangunan dan isinya.
3. Untuk memperbaiki penampilan (performance) dari sistem.
2.3 Jenis-Jenis Pentanahan
Secara garis besar sistem pentanahan dapat dibedakan menjadi tiga bagian
yaitu :
1. Pentanahan Sistem
2. Pentanahan Peralatan
3. Pentanahan Penangkal Petir
2.3.1 Pentanahan Sistem
Pentanahan sistem adalah pentanahan dari titik yang merupakan bagian dari jaringan listrik, misalnya titik netral generator, transformator, titik pada hantaran tengah dan hantaran netral. Suatu gangguan bumi (Ground Fault) pada salah satu bagian dari suatu sistem harus dapat dilokalisir dan dapat diamankan tanpa mematikan atau mengganggu keseluruhan sistem, sehingga keandalan dan kontinuitas pelayanan dapat dijamin. Dengan dipasangnya sistem pentanahan ini, maka dapat diharapkan gangguan yang terjadi dapat dibatasi pada kelompok sistem yang bersangkutan saja.
Dewasa ini kita mengenal beberapa macam pentanahan sistem, antara lain:
1. Pentanahan langsung atau tanpa impedansi (solid grounding).
2. Pentanahan melalui tahanan (resistance grounding).
3. Pentanahan reactor (reactor grounding).
4. Pentanahan efektif (effective grounding).
5. Pentanahan dengan kumpuran Petersen.
a. Pentanahan Langsung Atau Tanpa Impedansi (Solid Grounding)3
Dalam sistem ini titik netral dihubungkan lagsung pada elektroda yang mempunyai kontak baik dengan tanah. Jika terjadi suatu gangguan ke tanah akan selalu mengakibatkan terganggunya saluran, maka gangguan tersebut harus dapat dilokalisir dengan membuka pemutus daya.
Tujuan pentanahan titik netral secara langsung, yang paling utama adalah
untuk membatasi kenaikan tegangan dari fasa-fasa yang terganggu mendekati
harga normal. Tujuan lain dari sistem ini adalah untuk mengurangi sebagian atau
seluruh arus kapasitif ke tanah saat terjadi hubung singkat ke tanah.
b. Pentanahan Melalui Tahanan (Resistance Grounding)4
Jika diperlukan pembatasan arus hubung singkat ke tanah, maka tipe pentanahan melalui tahanan sangat baik dipakai. Dalam metode ini tahanan dipasang diantara titik netral dan tanah. Jika tahanan pentanahan rendah, maka arus hubung singkat menjadi kecil dan kondisi sistem mendekati pentanahan langsung. Pada keadaan lain jika harga pentanahan terlalu tinggi, maka kondisi sistem mendekati sistem yang tidak diketanahkan dengan resiko terjadinya arus hubung singkat ke tanah sangat besar pula.
Pada prakteknya, tahanan pentanahan bekerja pada harga agak rendah dan mempunyai nilai ohm sedemikian rupa sehingga bila terjadi hubung singkat satu fasa ke tanah dari sistem pada sumber tenaga, maka arus yang timbul sama dengan arus beban penuh pada generator atau transformator yang terbesar dan mengalir pada hubungan tanah.
c. Pentanahan Reactor (Reactor Grounding)4
Pentanahan reaktor digunakan bilamana transformator daya tidak cukup membatasi arus gangguan tanah. Reactor ini digunakan untuk memenuhi persyaratan dari sistem yang diketanahkan dengan reactor di mana besar arus gangguan di atas 25% dari arus gangguan 3 fasa (X0 / X1≤10).
Dilihat dari besarnya perbandingan X0 dan X1, sistem pentanahan ini
terletak antara pentanahan efektif dan sistem yang ditanahkan dengan kumparan
Petersen.
d. Pentanahan Efektif (Effective Grounding)4
Pentanahan efektif adalah pentanahan di mana perbandingan antara reaktansi urutan nol dan reaktansi urutan positif lebih kecil atau sama dengan tiga. Perbandingan tahanan urutan nol dan reaktansi urutan positif lebih kecil atau sama dengan satu, untuk tiap titik pada sistem tersebut.
e. Pentanahan dengan kumpuran Petersen5
Pentanahan dengan kumparan Petersen adalah pentanahan yang menghubungkan titik netral tranformator daya dengan suatu tahanan yang nilainya dapat berubah-ubah.
2.3.2 Pentanahan Peralatan
Dalam keadaan normal bagian-bagian peralatan listrik yang terbuat dari bahan konduktor atau sejenis logam penghantar adalah merupakan salah satu media penghantar listrik yang baik. Jadi, apabila terjadi gangguan hubung singkat atau kegagalan isolasi terhadap bagian badan atau kerangka peralatan listrik, maka antara bagian badan peralatan tersebut dengan bumi akan terdapat perbedaan potensial atau tegangan. Perbedaan ini sangat membahayakan baik terhadap peralatan itu sendiri atau terhadap manusia khususnya tenaga kerja yang menangani peralatan tersebut. Untuk mengatasi permasalahan tersebut perlu diupayakan menyamakan tegangan peralatan dengan bumi dengan jalan menghubungkan bagian-bagian kerangka peralatan dengan sistem pentanahan.
Sistem pentanahan ini berguna untuk memperoleh potensial yang sama antara peralatan dan bumi serta memperoleh impedansi yang rendah sebagai jalan mengalirnya arus hubung singkat ke tanah dengan cepat.
Pentanahan peralatan umumnya menggunakan dua macam sistem pentanahan yaitu:
1. Pentanahan rod
2. Pentanahan grid
a. Pentanahan Rod6
Pentanahan rod adalah sistem pentanahan yang menanamkan elektroda pentanahan tegak lurus dipermukaan tanah. Fungsinya hanya untuk mengurangi atau memperkecil tahanan pentanahan. Untuk memperkecil tahanan pentanahan, maka jumlah penanaman batang elektroda pentanahan dapat diperbanyak. Bila terjadi arus gangguan ke tanah, maka arus gangguan ini akan mengakibatkan naiknya gradien dipermukaan tanah. Besarnya tegangan maksimum yang timbul sebanding dengan tahanan pentanahan.
Bila dilakukan penanaman paralel elektroda yang lebih banyak, maka tahanan pentanahan akan lebih kecil dan distribusi tegangan akan rata. Penanaman batang elektroda tegak lurus dipermukaan tanah dapat berbentuk bujur sangkar atau empat persegi panjang, dengan jarak antara elektroda pentanahan sama. Sedangkan konduktor penghubung antara batang-batang elektroda pentanahan terletak di atas permukaan tanah sehingga tidak diperhitungkan tahanannya, untuk batang-batang elektroda yang ditanam tegak lurus dipermukaan tanah pada luas tertentu dan ujung atasnya bergerak tertentu dipermukaan tanah.
Bila jarak antara konduktor makin pendek dan jumlah konduktor yang ditanam makin banyak, maka akan semakin kecil konduktivitas dari masing- masing konduktor.
b. Pentanahan Grid6
Pentanahan grid adalah sistem pentanahan dengan menanamkan batang- batang elektroda sejajar dipermukaan tanah. Batang-batang ini terhubung satu sama lain, ini bertujuan untuk meratakan tegangan yang mungkin timbul. Dengan cara ini bila jumlah elektroda yang ditanam banyak sekali, maka bentuknya mendekati bentuk plat dan ini merupakan bentuk maksimum atau bentuk yang mempunyai harga tahanan yang paling kecil untuk daerah tertentu. Tetapi bentuk
ini mahal, karena itu perlu dicari bentuk yang sederhana dan murah tetapi tetap
mempunyai harga tahanan yang memenuhi persyaratan.
Dengan banyaknya konduktor yang ditanam akan tidak sebanding dengan
harga tahanannya, karena fungsi konduktor itu sendiri sebenarnya untuk menyalurkan arus kesalahan ke dalam tanah. Bila konduktor saling berdekatan, maka volume tanah tidak bisa menerima arus dari konduktor-konduktor tersebut. Dengan kata lain volume tanah terbatas kemampuannya untuk menerima arus.
Pada pentanahan grid, umumnya elektroda-elektroda ditanam sejajar satu dengan yang lainnya pada kedalaman beberapa puluh centimeter di dalam tanah. Untuk lebih memperkecil harga tahanan pentanahannya harus diperluas daerah pentanahannya karena cara ini lebih mudah bila dibandingkan dengan cara memperdalam konduktor.
2.3.3 Pentanahan Penangkal Petir
Untuk menghindari timbulnya kecelakaan atau kerugian akibat sambaran petir, maka diadakan usaha pemasangan instalasi penangkal petir pada bangunan- bangunan. Akibat sambaran petir ini akan mengakibatkan kerusakan langsung pada objek yang tersambar. Dengan adanya instalasi penanangkal petir ini, maka diharapkan sambaran petir dapat dikendalikan melalui instalasi penangkal petir yang diteruskan ke bumi.
Bahaya yang dapat ditimbulkan dari penyaluran arus petir ke bumi adalah flash over pada saluran hantaran penurunan serta gradien tegangan disekitar elektroda bumi.
2.4 Komponen Pentanahan
Komponen sistem pentanahan secara garis besar terdiri dari dua bagian
yaitu:
1. Hantaran penghubung
2. Elektroda pentanahan
2.4.1 Hantaran Penghubung
Hantaran penghubung adalah suatu saluran penghantar (Conductor) yang menghubungkan titik kontak pada badan atau kerangka peralatan listrik dengan elektroda bumi. Fungsi hantaran penghubung adalah untuk menyalurkan arus
gangguan ke elektroda pada sistem pentanahan. Penghantar yang digunakan dapat
berupa penghantar yang berisolasi atau kabel dan juga penghantar yang tidak seperti BC (Bace Conductor), ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinforced). Bahan yang digunakan kebanyakan terbuat dari aluminium dan tembaga. Dalam hal ini pentanahan untuk peralatan sering digunakan penghantar dengan bahan tembaga atau BC.
Antara hantaran penghubung dan elektroda pentanahan harus dipasang sambungan yang dapat dilepas untuk keperluan pengujian resistansi pembumian sehingga penempatan sambungan tersebut harus pada tempat yang mudah dicapai. Sambungan hantaran penghubung ini dengan elektroda harus kuat secara mekanis dan menjamin hubungan listrik dengan baik, misalnya dengan menggunakan penyambungan las, klem atau baut kunci yang mudah dilepas. Klem pada elektroda harus menggunakan baut dengan diameter minimal 10 mm.
Selain faktor di atas yang perlu diperhatikan juga adalah sambungan antar hantaran penghubung dan elektroda pentanahan tersebut juga harus dilindungi dari korosi sehingga daya tahan untuk sistem pentanahannya bisa lama dan terjamin.
2.4.2 Elektroda Pentanahan
Yang dimaksud dengan elektroda pentanahan adalah penghantar yang ditanam dalam bumi dan membuat kontak langsung dengan bumi. Elektroda pentanahan tertanam sedemikian rupa dalam tanah berupa elektroda pita logam, batang konduktor, pipa air minum dari tulang besi beton pada tiang pancang.
Untuk mendapatkan harga tahanan pentanahan yang serendah mungkin harus memenuhi beberapa persyaratan antara lain:
1. Resistansi elektroda pentanahan harus lebih kecil daripada harga yang direkomendasikan.
2. Elektroda pentanahan harus mampu dialiri oleh arus hubung singkat yang terbesar.
3. Elektroda pentanahan harus mempunyai sifat kimia yang baik sehingga tidak mudah mengalami korosi.
4. Elektroda pentanahan harus mempunyai sifat mekanis yang baik
Pada umumnya elektroda-elektroda pentanahan ditanam sejajar satu sama
lainnya untuk kedalaman beberapa centimeter (cm) di dalam tanah. Untuk itu ada beberapa macam elektroda pentanahan yang biasa dipakai antara lain:
1. Elektroda batang
2. Elektroda pita
3. Elektroda plat
4. Elektroda pentanahan jenis lain dalam hal ini adalah jaringan pipa air minum
a. Elektroda Batang7
Elektroda batang adalah elektroda dari batag besi, baja profil atau batang logam lainnya yang dipancangkan di dalam tanah. Biasanya digunakan dari bahan-bahan tembaga, bahan tahan karat (stainless steel) atau baja yang digalvanis (galvanized steel). Perlu diperhatikan pula dalam pemilihan bahan agar dihindarkan dari pemakaian kopeling galvanis (galvanic couple) karena dapat menyebabkan korosi.
Pemasangan elektroda batang dimasukkan tegak lurus ke dalam tanah dan panjangnya disesuaikan dengan resistansi pembumian. Resistansi pembumiannya sebagian besar tergantung pada panjangnya dan sedikit bergantung pada ukuran penampangnya. Jika beberapa elektroda diperlukan untuk memperoleh resistansi pembumian yang rendah, jarak antara elektroda tersebut minimum harus dua kali panjang elektrodanya. Untuk menghitung tahanan pentanahan satu batang elektroda, rumus yangdigunakan adalah :
Ket : R = resistansi pentanahan satu batang elektroda pentanahan (ohm)
a = jari-jari elektroda batang (cm)
7 Ir. T.S. Hutauruk, M. E. E. 1991. Pengetanahan Netral Sistem Tenaga Dan Pengetanahan
Peralatan. Erlangga : Jakarta
L = panjang pasang (cm)
ρ = tahanan jenis tanah (ohm cm)
Untuk menghitung tahanan pentanahan di mana elektroda pentanahannya dipasang paralel digunakan rumus sebagai berikut:
1. Dua batang elektroda pentanahan yang dipasang paralel
.......................................... (2.8)
Di mana,
.................................................. (2.9)
d adalah jarak antara batang elektroda yang dipasang paralel.
2. Tiga batang elektroda pentanahan yang dipasang paralel
Tahanan 3 pasak paralel = 1+ 2 x 9 ......................................... (2.10)
Tahanan pasak tunggal 3
3. Batang paralel jamak yang tersusun dalam segi emepat kosong atau
segi empat terisi. Apabila jumlah pasak n, maka:
Tahanan n pasak paralel = 1+ kx 9.......................................... (2.11)
Tahanan pasak tunggal n
