Perencanaan Sistem Pembumian Grid Gardu Induk 115 kV Ketigul

(1)

PERENCANAAN SISTEM PEMBUMIAN GRID

GARDU INDUK 115 KV KETIGUL

DI. PT. CHEVRON PACIFIC INDONESIA

Diajukan sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Pendidikan Sarjana Ekstensi (PPSE) Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

Oleh :

HOLMES HOTASIMAN SIMBOLON NIM : 050422022

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

PERENCANAAN SISTEM PEMBUMIAN GRID GARDU INDUK 115 KV KETIGUL

DI. PT. CHEVRON PACIFIC INDONESIA Oleh:

NAMA : HOLMES HOTASIMAN SIMBOLON NIM : 050422022

Tugas akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana Teknik Elektro pada PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

Sidang pada tanggal 16 April Tahun 2011 didepan penguji : 1. Ir. Sumatri Zulkarnaen : Ketua Penguji

2. Ir. Syarifuddin Siregar : Anggota Penguji 3. Ir. Syahrawardi : Anggota Penguji

Disetujui Oleh : Dosen Pembimbing Tugas Akhir

Ir. Zulkarnaen Pane NIP : 1957 0720 1983 031 001

Diketahui oleh :

Ketua Departemen Teknik FT USU,

Ir. Surya Tarmizi Kasim, Msi NIP : 19540531 198601 1 002

(3)

ABSTRAK

Sistem pembumian grid gardu induk merupakan bagian dari sistem proteksi yang dibutuhkan untuk melindungi peralatan maupun manusia yang berada di daerah tersebut dari gangguan yang terjadi misalnya arus gangguan yang mengalir ke tanah. Arus gangguan yang mengalir ke tanah melalui suatu elektroda pembumian yang dibumikan.

Dalam merencanakan sistem pembumian grid gardu induk dibutuhkan suatu standar penuntun pengaman pembumian yang dikeluarkan oleh suatu asosiasi standar resmi yaitu Institute of Electrical and Electronic Engineers Standard Association (IEEE-SA). Setelah mengalami beberapa perubahan maka standar yang terbaru adalah IEEE Standar 80-2000.

Untuk itu penulis mencoba membuat studi perencanaan sistem pembumian grid menurut IEEE standar 80 – 2000. Perencanaan sistem pembumian grid diterapkan pada gardu induk 115 kV ketigul yang ada di PT. Chevron Pacific Indonesia.

Kata kunci: Gardu Induk, Perencanaan sistem pembumian grid, IEEE standar 80 – 2000.

(4)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat dan rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir dengan judul

“Perencanaan Sistem Pembumian Grid Gardu Induk 115 kV Ketigul”. Adapun Tugas

akhir ini disusun dan diajukan untuk memenuhi salah satu syarat mata kuliah kerja praktek pada Fakultas Teknik Departemen Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.

Dalam pelaksanaan Tugas Akhir ini, penulis tidak bisa terlepas dari bantuan banyak pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Ir. Zulkarnaen Pane selaku Dosen Pembimbing yang dengan sabar dan tulus meluangkan waktu dan pikiran untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

2. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim selaku Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU.

3. Seluruh staf pengajar yang telah memberi bekal ilmu kepada penulis dan seluruh Pegawai Departemen teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. 4. Orang tua yang saya sangat cintai dan banggakan yaitu mamak, sebagai sumber

motifasi dan dukungan hidup saya untuk selalu giat belajar.

5. Saudara-saudara saya yang selalu mendukung dan mengajari saya dalam hidup dan khususnya di perkuliahan ini.

6. Bapak Ir. Syahrawardi selaku Dosen Wali saya di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU.

(5)

7. Seluruh teman – teman, para sahabatku yang tidak dapat tersebutkan namanya satu persatu dimanapun kita berada saat ini semoga kita bisa sukses dan mendapatkan kebahagiaan selalu.

8. Seluruh teman – teman mahasiswa/i seperjuangan, abang senior, adik junior dan secara khusus sahabat – sahabatku stambuk 2005 yang sudah selesai studi yang memberi semangat dan dorongan agar selama proses pengerjaan tugas akhir ini bisa saya selesaikan tugas ini.

9. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.

Saya menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih belum sempurna. Oleh karena itu, kami sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun. Akhirnya, saya berharap tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak.

Medan , 28 Maret 2011

Penulis

Holmes Hotasiman Simbolon NIM : 050422022

(6)

DAFTAR ISI

Hal

LEMBAR PENGESAHAN....………. i

ABSTRAK...………..………. ……….ii

KATA PENGANTAR...……….………....iii

DAFTAR ISI……….………..vi

BAB I. PENDAHULUAN………...………....1

1.1 Umum ………. ……...1

1.2 Latar Belakang….………1

1.3 Tujuan Penulisan…....………...3

1.4 Batasan Masalah. ………....3

1.5 Metodologi Penulisan………..4

1.6 Sistematika Penulisan………...5

BAB II. LANDASAN TEORI...…..………..7

2.1. Sistem Pembumian Gardu Induk...……...…...…...7

2.2. Sistem Pembumian Grid...………...7

2.2.1. Tahanan Pembumian………...8

2.2.2. Tahanan Jenis Tanah………..11

2.3. Bahaya – Bahaya Yang Timbul Pada Gardu Induk Pada Keadaan Gangguan Tanah…………..………...12

(7)

2.3.2. Tegangan Langkah..………..16

2.3.3. Tegangan Logam Dengan Logam ………...19

2.3.4. Tegangan Mesh………..…………...19

2.4. Kenaikan Tegangan Tanah……….………...22

2.5. Arus Grid Maksimum…….……….………...22

2.5. Arus Gangguan Simetri Ditanahkan……….………...24

BAB III. PERENCANAN SISTEM PEMBUMIAN GRID………...25

3.1. Konsep Umum………...……….,...25

3.2. Konsep Dasar Perencanaan Pembumian Grid………...26

3.3. Prosedur Perencanaan Sistem Pembumian Grid………...28

3.4. Data Perencanaan Pembumian Grid………..…...30

3.4.1. Data Lapangan………...31

3.4.2. Bahan Penghantar ………..………...33

3.4.3. Spesifikasi Jenis Tanah………..………...35

3.4.4. Efek Ketidak Simetrisan ..………...38

3.4.5. Sambungan Grid..………...39

BAB IV. PERHITUNGAN SISTEM PEMBUMIAN GRID GARDU INDUK………...40

BAB V. KESIMPULAN...53

(8)

ABSTRAK

Kata kunci: Gardu Induk, Perencanaan sistem pembumian grid, IEEE standar 80 – 2000.

(9)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Pada gardu induk harus memiliki sistem pembumian yang handal yang memenuhi standard aman bagi manusia dan peralatan yang berada di area gardu induk. Sistem pembumian yang digunakan harus benar-benar dapat mencegah bahaya ketika pada saat gangguan terjadi, di mana arus gangguan yang mengalir ke bagian peralatan dan ke piranti pembumian dapat dibumikan sehingga gradien tegangan disekitar area pembumian menjadi merata sehingga tidak menimbulkan beda potensial antara titik-titik disekitar.

Sistem pembumian peralatan gardu induk umumnya digunakan saat ini adalah : Sistem pembumian dengan menggunakan kisi (Grid) dan gabungan antara sistem pembumian Grid dan Rod. Kedua model sistem pembumian ini sistem Grid-Rod paling sering digunakan untuk Gardu Induk. Untuk pembangunan gardu induk yang baru dibutuhkan perencanaan untuk membuat kombinasi antara jumlah mesh dan rod-nya dan kedalaman penanaman konduktor dengan mempertimbangkan nilai dari tahanan jenis tanah, pengaruh tahanan jenis tanah untuk beberapa jenis tanah yang berbeda dengan kedalaman yang sama serta dimensi area pembumian yang akan digunakan sehingga menghasilkan nilai tahanan pembumian (Rg), tegangan sentuh (Em) dan tegangan langkah (Es) yang lebih baik dan lebih aman.

(10)

Sistem pembumian yang baik dirancang dengan dua hal yaitu :

1. Kondisi tidak normal sistem pembumian gunanya untuk membuang arus listrik ke tanah tanpa mengganggu peralatan yang sedang beroperasi atau melebihi kemampuan batas peralatan.

2. Untuk memastikan bahwa seseorang yang bekerja yang memiliki sistem pembumian tidak akan terkena dengan adanya bahaya listrik

kejut.

Sistem pembumian grid dilakukan dengan cara menanamkan batang – batang konduktor sejajar dengan permukaan tanah pada kedalaman tertentu. Batang – batang konduktor tersebut terhubung satu dengan lainnya, sehingga membentuk beberapa buah mesh.

Pada tugas akhir ini akan dilakukan perhitungan untuk mendapatkan suatu perencanaan sistem grid yang baik dan efektif serta aman

(11)

1.2. Tujuan Penulisan

Tujuan penulisan Tugas Akhir ini bertujuan untuk mengetahui bagaimana cara dan langkah-langkah dalam perencanaan sistem pembumian grid gardu induk menurut IEEE Standar 80 – 2000.

1.3. Batasan Masalah

Ruang lingkup pembahasan ini adalah perencanaan sistem pembumian grid gardu induk dengan pembatasan masalah sebagai berikut:

1. Tidak melakukan penurunan rumus.

2. Tidak mensimulasikan tegangan permukaan tiap titik. 3. Hanya membahas lapisan tanah yang uniform.

(12)

1.4. Metodologi Penulisan

Secara umum tugas akhir ini adalah menggunakan metode analsis literature dan secara khusus penulisan yang digunakan dalam penulisan tugas akhir adalah :

1. Studi Literatur

Penulis mempelajari dari buku – buku dan artikel – artikel yang mendukung untuk penulisan tugas akhir.

2. Diskusi

Melakukan konsultasi dan bimbingan dari dosen pembimbing, rekan – rekan mahasiswa dan teman sekerja yaitu berupa data lapangan.

3. Studi Analisa

Melalui data lapangan dilakukan untuk merencanakan metode pembumian grid. Data tersebut dipergunakan untuk mendapatkan hasil data yang diinginkan setelah dihitung melalui rumus matematis dari persamaan teori yang berkaitan dengan pembumian grid yang mengacu pada standard IEEE 80 - 2000.

(13)

1.5. Sistematika Penulisan

Materi pembahasan dalam tugas akhir ini diurutkan dalam beberapa bab yang diuraikan sebagai berikut :

BAB I : PENDAHULUAN

Bab ini merupakan penjelasan tentang apa yang diuraikan dalam tugas akhir ini meliputi latar belakang, tujuan dan manfaat penulisan, batasan masalah, metodologi penulisan dan sistematika penulisan.

BAB II : LANDASAN TEORI

Bab ini menjelaskan sistem pembumian gardu induk yang meliputi sistem pembumian grid, tahanan pembumian, tahanan jenis tanah, bahaya – bahaya yang timbul pada gardu induk pada keadaan gangguan tanah yang meliputi: tegangan sentuh, tegangan langkah, tegangan sentuh logam dengan logam, tegangan mesh, kenaikan tegangan tanah/GPR, arus grid maksimum.

(14)

BAB III : PERENCANAAN SISTEM PEMBUMIAN GRID

Bab ini menjelaskan sistem pembumian grid meliputi Konsep umum, Konsep dasar perencanaan pembumian grid, Prosedur perencanaan sistem pembumian grid, Data perencanaan pembumian grid meliputi data lapangan, bahan penghantar meliputi : tembaga, tembaga berlapis baja, aluminium dan baja. Spesifikasi jenis tanah, Efek ketidak simetrisan, Sambungan grid.

BAB IV : PERHITUNGAN SISTEM PEMBUMIAN GRID

GARDU INDUK 115 KV KETIGUL

Pada bab ini merupakan perhitungan dalam sistem pembumian grid berdasarkan prosedur perencanaan menurut IEEE std 80 – 2000.

BAB V : KESIMPULAN

Bab ini merupakan rangkuman dari perencanaan perhitungan sistem pembumian gardu induk .

(15)

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1. Sistem Pembumian Gardu Induk

Menentukan sistem pembumian gardu induk yang berfungsi dengan baik dari keseluruhan pemasangan pembumian dan mempunyai arti untuk mengalirkan arus gangguan ke tanah. Itu sangat penting bahwa pembumian gardu induk memiliki tahanan pembumian yang rendah, agar kapasitas arus terjaga dan orang terlindung dari bahaya. Semua pagar gardu induk di konstruksi dan dipasang pembumian grid yang bertujuan untuk menjaga masyarakat dan orang yang bekerja.

2.2 Sistem Pembumian Grid

Peralatan gardu induk sebaiknya dipasang pembumian grid dengan penghantar yang besar berguna untuk memperkecil tahanan pembumian dan batas tegangan diantara peralatan dan permukaan tanah pada nilai yang diijinkan.

Pembumian grid merupakan salah satu sistem pembumian yang banyak digunakan pada gardu induk karena mempunyai beberapa keuntungan dibandingkan dengan sistem pembumian lainnya.

Beberapa keuntungan tersebut antara lain pemasangannya lebih mudah terutama pada daerah berbatu, gradien tegangan pada sistem pembumian grid akan lebih rata.

(16)

Distribusi tegangan tergantung pada jarak elektroda paralel, makin besar jarak elektroda maka terdistribusi tegangannya makin tidak rata dan makin dekat jarak elektroda paralel maka terdistribusi tegangannya semakin merata.

2.2.1. Tahanan Pembumian

Pembumian yang ideal harus memberikan nilai tahanan pembumian mendekati nol atau ≤ 1 ohm untuk gardu induk bertegangan tinggi (ANSI/IEEE Std 80 – 2000). Sebagai perkiraan pertama, sebuah nilai minimum dari tahanan pembumian gardu induk pada tanah yang seragam (uniform) untuk lapisan pertama (permukaan tanah) saja dapat dihitung dengan persamaan :

...(1)

Dimana :

Rg= Tahanan pembumian gardu induk (Ω)

(17)

ρ = Tahanan jenis tanah (Ω-m)

Kemudian, pada lapisan kedua dengan adanya gabungan antara grid dan batang rod untuk tanah yang seragam, jumlah konduktor grid dan konduktor batang rod yang ditanam pada kedalaman tertentu sehingga diperoleh persamaan seperti dibawah ini menurut Laurent, P. G., 1951 dan Nieman, J, 1952:

...(2)

Dimana LT = total dari panjang konduktor yang tertanam ( m )

Menurut Sverak, selanjutnya dari persamaan 2 dimasukkan nilai pada efek kedalaman grid.

...(3)

Dimana : h = kedalaman penanaman konduktor (m).

Menurut Schwarz Kaitan yang dapat diikuti pada persamaan dalam menentukan tahanan total pembumian yang tanahnya homogen yang terdiri dari grid horizontal dan penghantar rod vertikal. Persamaan schwarz dapat dilanjutkan untuk mengetahui tahanan kawat penghantar pembumian disebut R1, pada tahanan pembumian grid keseluruhan disebut R2, Rm merupakan tahanan diantara kumpulan penghantar grid dan kumpulan pembumian rod – rod sedangkan Rg merupakan tahanan pembumian dapat dilihat pada persamaan 4.

(18)

–

………...………. (4)

Tahanan penghantar pembumian grid dapat dilihat pada persamaan 4.

...(5)

ρ = Tahanan jenis tanah dalam satuan (Ω. m)

Lc = Total panjang penghantar keseluruhan grid yang terhubung dalam

satuan (m)

a' untuk kedalaman penghantar dalam satuan m atau adalah

penghantar di permukaan tanah dalam satuan (m)

A = Area bagian penghantar dalam m2.

k1, k2 = Koefisien

Untuk mencari nilai tahanan rod pembumian dapat dilihat pada persamaan 6.

– ...(6)

Dimana :

Lr = Panjang setiap rod dalam satuan (m) 2b = Diameter rod dalam satuan (m)

(19)

nR = Area A letak penamaan rod

Mutu tahanan pembumian antara R1 dan R2 yaitu Rm dan dapat dituliskan pada persamaan 7.

...(7)

2.2.2. Tahanan Jenis Tanah

Faktor keseimbangan antara tahanan pembumian dan kapasitansi disekeliling adalah tahanan jenis tanah yang direpresentasikan dengan ρ. Harga tahanan jenis tanah pada daerah kedalaman yang terbatas tidaklah sama. Beberapa faktor yang mempengaruhi tahanan jenis tanah yaitu:

a. Keadaan struktur tanah antara lain ialah struktur geologinya, seperti tanah liat, tanah rawa, tanah berbatu, tanah berpasir, tanah gambut dan sebagainya.

b. Unsur kimia yang terkandung dalam tanah, seperti garam, logam dan mineral – mineral lainnya.

c. Kelembaban tanah seperti basah atau kering d. Temperatur tanah dan jenis tanah.

Besar tahanan pembumian pada sistem pembumian ditentukan oleh tahanan jenis tanah. Jadi pada suatu perencanaan sistem pembumian, harus dilakukan terlebih

(20)

dahulu pengukuran tahanan jenis tanah di tempat tersebut. Berdasarkan harga tahanan jenis tanah tersebut, maka selanjutnya dibuat perencanaan sistem pembumiannya.

2.3. Bahaya – Bahaya Yang Timbul Pada Gardu Induk Pada Keadaan Gangguan Tanah

Secara umum kita tinjau bahaya – bahaya yang mungkin ditimbulkan oleh tegangan atau arus listrik terhadap manusia mulai dari yang ringan sampai paling yang berat yaitu pingsan atau mati.

Ringan atau berat bahaya yang timbul, tergantung dari faktor – faktor dibawah ini sebagai berikut:

a. Tegangan dan kondisi orang terhadap tegangan tersebut. b. Besarnya arus yang melewati tubuh manusia.

c. Jenis arus, searah atau bolak – balik.

Pada sistem tegangan tinggi sering terjadi kecelakaan terhadap manusia, dalam hal terjadi tegangan kontak langsung atau dalam hal manusia berada didalam suatu daerah yang mempunyai gradien tegangan yang tinggi. Sebenarnya yang menyebabkan bahaya tersebut adalah besarnya arus yang mengalir dalam tubuh manusia.

Arus gangguan ini akan mengalir melalui bagian – bagian peralatan yang terbuat dari logam dan juga mengalir dalam tanah disekitar gardu induk. Arus gangguan tersebut dapat menimbulkan gradien tegangan diantara peralatan, peralatan

(21)

dengan tanah dan juga gradien tegangan pada permukaan tanah itu sendiri. Untuk menganalisa lebih lanjut akan ditinjau beberapa kemungkinan terjadinya tegangan dan kondisi orang yang sedang berada di dalam dan sekitar gardu induk tersebut.

Untuk menganalisa keadaan ini maka diambil beberapa pendekatan sesuai dengan kondisi orang yang sedang berada didalam atau sekitar gardu induk tersebut pada saat terjadi kesalahan ke tanah. Pada hakekatnya tegangan selama mengalirnya arus gangguan tanah dapat digambarkan sebagai berikut:

a. Tegangan sentuh b. Tegangan langkah

(22)

2.3.1. Tegangan Sentuh

Tegangan sentuh adalah tegangan yang terdapat diantara suatu obyek yang disentuh dan suatu titik berjarak 1 meter, dengan asumsi bahwa objek yang disentuh dihubungkan dengan kisi-kisi pembumian yang berada di bawahnya, seperti yang terlihat pada Gambar 1 menurut IEEE 80 - 2000.

Gambar 1. Situasi shock

Manusia dengan berat badan 50 dan 70 Kg yang berada diantara satu objek dapat dihitung tegangan sentuh pada persamaan 8 dan 9 dibawah ini.

...(8)

...(9)

(23)

Et50 = Tegangan sentuh untuk berat badan manusia 50 kg,

Et70 = Tegangan sentuh untuk berat badan manusia 70 kg,

Cs = Faktor reduksi nilai resistivitas permukaan tanah

ρs = Tahanan jenis permukaan material (lapisan batu koral), Ohm-m

t = Waktu gangguan tanah (waktu kejut), detik

Apabila tidak ada pengaman yang digunakan pada lapisan permukaan dimana Cs =1 and ρs = ρ.

Cs dapat dianggap sebagai faktor koreksi untuk menghitung efektif kaki perlawanan di hadapan dengan ketebalan hingga permukaan material. Nilai Cs dapat digunakan 5 % dari nilai analisa metode menurut (Thapar, Gerez, and Kejriwal). Faktor reduksi dari nilai resistivitas permukaan tanah diformulasikan :

...(10)

Dimana:

hs = Ketebalan lapisan batu koral (m)

ρ = Tahanan jenis tanah (ohm-m)

(24)

Tabel 1. Tegangan sentuh yang diizinkan dan lama gangguan

berdasarkan IEEE Std 80 – 2000.

Lama Gangguan (t) (detik) Tegangan Sentuh Yang Diizinkan (Volt)

0,1 1980

0,2 1400

0,3 1140

0,4 990

0,5 890

1 626

2 443

3 362

Untuk pembumian grid dengan model bujur sangkar maupun empat persegi panjang (rectangular grid) menurut IEEE Std 80 – 2000 mempunyai batasan :

1. Jumlah konduktor parallel dalam satu sisi kurang dari 25 (n<25),

2. 0.25 < h < 2.5 dengan h adalah kedalaman penanaman konduktor (m),

3. d < 25 m, d adalah diameter penghantar (m),

(25)

2.3.2. Tegangan Langkah

Tegangan langkah adalah tegangan yang timbul di antara dua kaki orang yang sedang berdiri diatas tanah yang sedang dialiri oleh arus kesalahan ke tanah, dapat dilihat Gambar 1 pada halaman 14.

Manusia dengan berat badan 50 dan 70 Kg dapat dihitung tegangan langkah pada persamaan 11 dan 12 dibawah ini.

...(11)

...(12)

Tegangan Langkah maksimum diperkirakan terjadi lebih dari jarak 1 m, mulai dan memperluas luar konduktor perimeter pada sudut yang membagi dua sudut yang paling ekstrim dari grid. Untuk kedalaman biasa dari 0,25 m <h <2,5 m (Sverak [B132]), Ks adalah

...(13)

Dimana :

Ks = Faktor Geometrik Tegangan Langkah

h = Kedalaman grid dalam m

Suatu usaha dilakukan untuk memperluas persamaan ini untuk termasuk penggunaan batang tanah. Jika Lc merupakan panjang konduktor grid total dan LR

(26)

merupakan total panjang dari semua batang kecil tanah, maka untuk grid dengan batang atau tanpa batang tanah.

Dimana :

...(14)

Dimana,

Es50 = Tegangan langkah untuk berat badan manusia 50 kg,

Es70 = Tegangan langkah untuk berat badan manusia 70 kg.

Tabel 2. Tegangan Langkah yang diijinkan dan lama gangguan berdasarkan IEEE Std 80 – 2000.

Lama Gangguan (t) (detik) Tegangan Langkah yang Diijinkan (Volt)

0,1 7000

0,2 4950

0,3 4040

0,4 3500

0,5 3140

1 2216

2 1560

(27)

2.3.3. Tegangan Sentuh Logam Dengan Logam

Perbedaan tegangan diantara logam atau bagian struktur gardu induk yang mungkin disentuh langsung oleh tangan ke tangan atau kontak tangan dengan kaki seperti yang terlihat Gambar 1 pada halaman 14.

Batas – batas tegangan sentuh logam dengan logam berasal dari persamaan tegangan sentuh. Persamaan 8 dan 9 hubungan logam dengan logam , kedua tangan dengan tangan, tangan dengan kaki, akan menghasilkan ρs = 0.

Dengan substitusi ρs = 0, tahanan kaki menurut persamaan 8 dan 9, dengan batas tegangan sentuh antara logam dengan logam didapat persamaan menjadi :

 Untuk berat badan 50 Kg

...(15)

 Untuk berat badan 70 Kg

...(16)

Dimana Emm adalah tegangan sentuh logam dengan logam.

2.3.4. Tegangan Mesh

Tegangan mesh merupakan salah satu bentuk tegangan sentuh. Tegangan mesh didefinisikan sebagai tegangan peralatan yang dibumikan terhadap tengah – tengah daerah yang dibentuk konduktor kisi – kisi selama gangguan tanah.

(28)

Tegangan mesh ini menyatakan tegangan tertinggi yang mungkin timbul sebagai tegangan sentuh yang dapat dijumpai dalam sistem pembumian gardu induk. Nilai tegangan mesh tergantung pada faktor geomterik, Km; Faktor Koreksi Ki, Tahanan tanah ρdan rata – rata arus per unit dengan panjang sistem pembumian penghantar (IG/LM) dapat dilihat pada persamaan 17.

...(17)

Dimana :

Ki = faktor koreksi tegangan mesh untuk nilai pertambahan arus pada grid,

Km = faktor geometrik tegangan mesh,

...(18)

Faktor geometrik Km dapat dituliskan pada persamaan 19.

....(19)

Untuk grid – grid dengan paraneter pembumian rod, atau grid – grid dalam sudut rod pembumian, sebagai parameter dan bagian luar area grid.

dengan pembumian rod = 1

Untuk grid – grid tanpa pembumian rod – rod atau grid – grid dengan beberapa rod – rod tidak dipasang pada sudut dituliskan pada persamaan 20.

(29)

...(20)

Untuk grid acuan dapat dituliskan pada persamaan 21 dibawah ini. .………...………...(21)

ho = 1 m (referensi kedalaman jaring-jaring)

Menurut Thapar, Gerez, Balakrishnan penggunaan empat grid dapat efektif pada penghantar grid yang diparalel dengan sebutan n. Dapat dibentuk menjadi bujur sangkar maupun empat persegi panjang (rectangular grid) atau penomoran yang tidak beraturan grid – grid pada penghantar paralel yang ekivalen dengan bujur sangkar grid dituliskan pada persamaan 22.

...(22) Dimana :

...(23)

...(24)

...(25)

...(26)

Dimana :

A = Area grid dalam (m2)

Lx = Panjang maksimum dari arah grid x satuan (m) Ly = Panjang maksimum dari arah grid y satuan (m)

(30)

Dm = Jarak maksimum antara 2 grid satuan (m) 2.4. Kenaikan Tegangan Tanah

Kenaikan tegangan tanah adalah maksimum tegangan listrik pada pembumian gardu induk grid yang mungkin ada relatif terhadap jarak nilai pembumian diasumsikan seperti tegangan pada pembumian.

...(27)

Dimana:

Ig = Arus rms grid simetris (A)

Rg = Tahanan pembumian grid (Ω)

2.5. Arus Grid Maksimum

Arus grid maksimum adalah arus terbesar yang mengalir pada rangkaian pembumian grid saat terjadi gangguan fasa ke tanah.

...(28)

dengan

...(29)

Arus grid maksimum juga dipengaruhi oleh faktor decrement (Df), lamanya waktu gangguan (tf) sehingga nilai perencanan dari arus gangguan maksimum didefenisikan :

(31)

...(30)

...(31)

...(32)

Dimana:

IG = Arus grid maksimum (A)

Df = Decrement factor, nilainya ditentukan berdasarkan waktu gangguan

= 1 (untuk waktu gangguan 0.5 detik)

Cp = Faktor proyeksi korektif yang dihitung untuk kenaikan relatif arus

gangguan selama keberlangsungan sistem. Untuk sistem dengan

pertumbuhan nol Cp = 1

Ig = Arus grid simetris (A)

If = Nilai rms dari arus gangguan tanah (A)

Sf = Faktor pembagi arus gangguan,

= 0.7 (untuk gardu induk yang berkawat tanah)

Io = arus gangguan urutan nol.

(32)

2.6. Arus Gangguan Simetri Ditanahkan

Arus gangguan simetris If = 3 Io gunanya kita akan dapat menggunakan jenis kawat yang akan digunakan pada pembumian grid.

...(33)

Untuk gangguan 115 kV di Bus maka dipakai rumus :

...(34)

Untuk ukuran kawat yang mampu menahan besarnya titik lebur sehingga direncanakan menggunakan kawat tembaga yang solid, maka dipakai persamaan 35.

...(35)

...(36)

Dimana:

tc = Waktu arus dalam (s)

Kf = Konstanta bahan

IKA = Arus gangguan

(33)

BAB III

PERENCANAN SISTEM PEMBUMIAN GRID

3.1. Konsep Umum

Sistem pembumian diinstalasi dengan cara melihat pengaruh batas gradient tegangan tanah seperti tingkatan tegangan dan arus yang tidak membahayakan keselamatan manusia atau peralatan pada kondisi dibawah normal ataupun gangguan. sebaiknya dapat menjamin keselamatan secara terus-menerus.

Beberapa alasan digunakannya kombinasi sistem batang vertikal dan konduktor horizontal adalah sebagai berikut :

a. Pada gardu induk dengan satu elektroda, tidak mencukupi untuk sistem pembumian yang aman. Sebaiknya, dengan beberapa elektroda, batang-batang elektroda yang dihubungan satu sama lain untuk pembumian netral tiap-tiap peralatan, frame, dan struktur-struktur yang diketanahkan. Hal yang esensial dalam pengaturan pentanahan ini, yaitu tidak memberikan pembebanan pada salah satu obyek. Jika hubungan pada jaringan ditananam didalam bumi yang mempunyai tanah dengan konduktifitas yang baik, jaringan tersebut akan sangat baik sekali. Sebagian lagi terdapat alasan lain, beberapa peralatan bergantung pada satu jaringan tertentu. Namun, batang – batang pentanahan mempunyai nilai tersendiri.

b. Jika arus disipasi yang masuk ke dalam bumi tinggi, maka dimungkinkan untuk memasang instalasi pembumian dengan resistansi yang sangat rendah

(34)

sebagai jaminan agar tidak timbul gradien potensial tanah yang dapat membahayakan bila terjadi kontak dengan manusia. Maka, bahaya yang timbul dapat dihilangkan dengan mengontrol potensial pada keseluruhan area tersebut. Jadi potensial pada keseluruhan jaringan sama, dengan kata untuk meratakan atau menyamakan potensial yang timbul baik pada keadaan normal maupun pada saat terjadi gangguan.

Ada beberapa keuntungan sistem kombinasi yang menggunakan grid horizontal dan batang konduktor vertikal yang ditanam pada lapisan tanah bawah antara lain :

1. Konduktor jaringan yang ditanam secara horizontal sangat efektif gunanya untuk mengurangi bahaya dari tegangan langkah dan sentuh pada permukanan tanah. Pemasangan grid dengan kedalaman sekitar 0,3-0,5 m dibawah tanah atau (12 – 18inci).

2. Sangat efektif dalam menghilangkan arus gangguan pada dua lapisan atau banyak lapisan tanah ditanam batang pembumian. Untuk lapisan tanah atas memiliki tahanan tinggi dari pada lapisan tanah bawah.

3. Kondisi tanah yang seragam dengan batas atas hingga bawah grid dipasang batang pembumian. Batang pembumian sangat berpengaruh dalam mengurangi besarnya tegangan mesh pada keliling atau bagian tepi grid.

(35)

3.2. Konsep Dasar Perencanaan Pembumian Grid

Konsep sistem pembumian grid dimulai dengan perencanaan pengecekan gambar (layout) gardu induk, peletakan peralatan dan struktur. Untuk membangun grid gardu induk terdapat ide dasar dan konsep yang perlu dibuat sebagai pedoman memulai perencanaan tipe pembumian grid antara lain:

A. Penghantar terhubung tertutup harus mengelilingi daerah yang akan diamankan, ukuran penghantar membantu untuk menghindari konsentrasi arus tinggi sehingga gradien tinggi baik di daerah grid dan dekat kabel

B.Kondisi tertutup, konduktor biasanya diletakkan di dalam garis paralel yang disebut dengan pemasangan kisi penghantar yang sejajar.

C.Tipe sistem pembumian pada gardu induk menggunakan kawat tembaga pejal berukuran 4/0 dengan kedalaman pembumian (0,3 – 0,5m) atau (12 – 18in). Jarak grid 3 – 7m atau (10 – 20ft) pada sebuah grid. Pembumian grid dipasang pada peralatan utama yang terdekat dengan penangkal petir. Banyak lapisan atau besar tahanan digunakan rod dengan menambah rod dengan cara menyambung beberapa rod.

D.Kawat penghantar grid disambung pada switch yard gardu induk dan pagar. Kawat pembumian yang banyak dan ukuran penghantar kawat yang besar dapat mengatasi arus yang besar.

E.Perbandingan mesh grid yang digunakan adalah 1:1 atau 1:3 dengan panduan program komputer.

(36)

3.3. Prosedur Perencanaan Sistem Pembumian Grid

Dalam melakukan perencanaan pembumian grid kita dapat menjelaskan langkah – langkah yang perlu diperhatikan antara lain:

Langkah 1.

Tentukan letak lokasi gardu induk yang akan direncanakan pada tegangan berapa dan tahanan tanah yang baik dengan model pembumian pada dua lapisan tanah, struktur dan ruang pengendali.

Langkah 2.

Tentukan ukuran penghantar pembumian grid. Menyalurkan arus gangguan 3 Io mencapai maksimum pada penghantar sistem pembumian dan waktu tc untuk menghilangkan arus gangguan.

Langkah 3.

Tentukan nilai tegangan sentuh dan tegangan langkah dari persamaan 8,9, 11 dan 12 yang berdasarkan pendapat para insiyur.

Langkah 4.

Spasi penghantar dan lokasi pembumian rod berdasarkan arus IG dan area dibumikan.

Langkah 5.

Tentukan nilai batas tahanan pembumian grid pada persamaan 3. Langkah 6.

(37)

perencanaan lebih dari sistem pembumian. Langkah 7.

Jika perencanaan kenaikan tegangan tanah dibawah toleransi tegangan sentuh , tidak perlu analisa lebih lamjut . Hanya dengan menambahkan penghantar pembumian pada peralatan diatasnya.

Langkah 8.

Tentukan nilai tegangan mesh dan langkah pada grid sebagai perencanaan yang dilakukan untuk menganalisa dengan tanah yang seragam.

Langkah 9.

Jika nilai tegangan mesh dibawah toleransi tegangan langkah maka perencanaan dilanjutkan pada langkah ke 10.

Langkah 10.

Jika antara tegangan mesh terhadap tegangan sentuh dibawah batas toleransi tegangan. Perencanaan ini hanya menambah pembumian peralatan.

Langkah 11

Jika salah satu dari tegangan sentuh atau tegangan langkah melebihi batasan toleransi, perencanaan pembumian grid perlu dikaji. Kajian tersebut termasuk memperkecil jarak (spasi) dari mesh dan menambahkan batang pembumian. Langkah 12.

Setelah nilai tegangan sentuh dan langkah memuaskan, tambahan grid dan batang pembumian bisa saja diperlukan.

(38)

Dengan adanya langkah – langkah perencanaan pembumian kita bisa mengenal blok diagram perencanaan pembumian grid.

(39)

3.4. Data Perencanaan Pembumian Grid 3.4.1. Data Lapangan

Proyek : Gardu Induk 115 kV Ketigul Milik : PT. Chevron Pacific Indonesia Subjek : Pembangunan Area Pembumian Grid

Keterangan : Perhitungan Berdasarkan IEEE, STD 80 – 2000. Tabel 3. Data Lapangan

Simbol Penjelasan Keterangan

Ρ Tahanan Jenis Tanah, Ω.m 17.28 Ω.m/323.63 Ω.m

ρs Tahanan lapisan permukaan berbatuan 2500 Ω.m

3Io Arus Gangguan simetris dalam gardu

induk untuk ukuran penghantar, A

Belum diketahui A Total area seluruhnya oleh pembumian

grid, m2

4851 m2

Cs Derating Faktor permukaan lapisan Belum diketahui

D Diameter penghantar grid, m Belum diketahui D Spasi antara penghantar paralel, m Belum diketahui Dm Jarak maksimum antara 2 point dalam

grid, m

7m Em Metode sederhana Tegangan Mesh di

tengah dan sudut mesh, V

Belum diketahui Es Tegangan langkah diantara titik

sekeliling sudut dari grid dan titik 1 m diagonal luar grid pada metode

sederhana, V

Belum diketahui

Estep50 Toleransi tegangan langkah pada

manusia dengan berat 50 kg

Belum diketahui

Lp Seluruh area pembumian 66m+77m+66m+77m

Estep70 Toleransi tegangan langkah pada

manusia dengan berat 70 kg

Belum diketahui Etouch50 Toleransi tegangan sentuh pada

manusia dengan berat 50 kg

Belum diketahui Etouch70 Toleransi sentuh langkah pada manusia

dengan berat 70 kg

Belum diketahui Η Kedalaman penghantar pembumian

Grid, m

(40)

η s Permukaan lapisan thickness, Berbatuan

IG Arus maksimum grid tersebut mengalir

diantara pembumian pentanahan grid dan sekeliling (termasuk dc offset), A

Belum diketahui

Ig Arus grid simetris, A Belum diketahui

K Faktor Refleksi diantara beda tahanan Belum diketahui Kh Faktor koreksi berat efek ukuran pada

kedalaman grid, metode sederhana

Belum diketahui Ki Faktor koreksi geometry grid, metode

sederhana

Belum diketahui Kii Faktor Koreksi Berat yang diatur untuk

efek pada permukaan penghantar didalam sudut mesh, metode sederhana

Belum diketahui

Km Faktor Spasi untuk tegangan mesh,

metode sederhana

Belum diketahui Ks Faktor Spasi untuk tegangan langkah,

metode sederhana

Belum diketahui Lc Total panjang penghantar grid, m Belum diketahui

LM Panjang efektive dari LC + LR untuk tegangan mesh, m

Belum diketahui LR Total panjang pembumian rods,m Belum diketahui

Lr Panjang dari pembumian rod pada

setiap lokasi, m

Belum diketahui Ls Panjang efektive LC + LR untuk

tegangan langkah, m

Belum diketahui LT Panjang total penghantar sistem

pembumian, termasuk grid dan pembumian rod

Belum diketahui

Lx Panjang maksimum dari penghantar

grid dalam x, m

Belum diketahui Ly Panjang maksimum dari penghantar

grid dalam y, m

Belum diketahui

N

Komposisi faktor geometri pada faktor

na, nb, nc

dan

nd

Belum diketahui

nR

Nomor letak rod dalam area A Belum diketahui Rg Tahanan pembumian sistem, Ω Belum diketahui

Sf Faktor devisi arus gangguan (faktor

split)

0.6 tf Durasi arus gangguan untuk

menentukann faktor pengurangan, s

Belum diketahui ts Durasi shock untuk menentukan arus

yang melewati tubuh manusia menurut IEEE std 80 – 2000

(41)

3.4.2. Bahan Penghantar 3.4.2.1. Tembaga

Tembaga adalah bahan umum yang digunakan sebagai penghantar pembumian. Penghantar tembaga memiliki konduktivitas yang tinggi dan keunggulan terhadap karat.

3.4.2.2. Tembaga Berlapis Baja

Tembaga yang berlapis baja digunakan untuk batang dibawah tanah dan kadang – kadang untuk pembumian grid. Penggunaan tembaga atau tembaga yang berlapis baja tingkat yang lebih rendah memastikan bahwa jaringan bawah tanah di pertahankan bertahun – tahun, selama dalam ukuran penghantar dan tidak rusak dan kondisi tanah tidak menyebabkan berkarat pada jenis bahan yang digunakan.

3.4.2.3. Aluminium

Aluminium digunakan untuk frekuensi pembumian grid rendah. Kelemahan dari aluminium sebagai pertimbangan adalah:

1. Aluminium dapat korosif dalam tanah. Lapisan bahan aluminium pada prakteknya berkaitan pembumian adalah nonkonduktif.

2. Korosi bertahap yang disebabkan oleh arus bolak – balik yang mungkin juga menjadi masalah dalam kondisi tertentu.

VI Tegangan phasa dengan phasa 115 kV

H Thickness permukaan batuan kasar 0.1m Df Faktor pengurangan pada tabel 6

dengan X/R = 10

1.018 Kf Kostanta material pada tabel 7 jenis

Copper commercial hard drawn

(42)

3.4.2.4. Baja

Baja dapat digunakan untuk penghantar grid tanah dan batang. Penggunaan galvanis atau tahan korosi baja dalam kombinasi perlindungan adalah khas untuk sistem pembumian baja. Baja digunakan pada pembumian grid dan rod. Pada Tabel 4. Merupakan nilai Kf yaitu konstanta bahan yang digunakan pada jenis bahan

penghantar pembumian grid.

Tabel 4. Konstanta Bahan Penghantar Pembumian

Lamanya Gangguan tf

Conductivity (%)

Tm a (oC) Kf

Copper annealed soft drawn

100

1083 7.00

Copper commercial hard drawn

1084 7.06

Copper commercial hard drawn

250 11.78

Copper - clad steel wire 40 1084 10.45

Copper - clad steel wire 30 1084 12.06

Copper -clad steel rod 20 1084 14.64

Aluminum EC Grade 61 657 12.12

Aluminum 5005 Alloy 53.5 652 12.41

Aluminum 6201 Alloy 52.5 654 12.47

Aluminum - clad steel wire

20.3 657 17.20

Steel 1020 10.8 1510 15.95

Stainless clad steel rod 9.8 1400 14.72

Zinc - coated steel rod 8.6 419 28.96

(43)

3.4.3. Spesifikasi Jenis Tanah

Berdasarkan hasil laboratorium CPI analisa jenis tanah dapat dilihat dalam Tabel 5.

Tabel 5. Analisa Jenis Tanah

No Sampel ID

Lokasi, Nama Fasilitas, Fasilitas

Unit, Contoh nama Waktu Conduktivitas pH

Units umhos/cm -

Spesifikasi CPI

Metode SM 2510 B

SM 4500 H

+ 1 001 - 01 Ketigul, Power Plant, Bore Hole

03 : 529 3.94

2 002 - 01 Ketigul, Power Plant, Bore Hole

03 : 206 4.52

3 003 - 01 Ketigul, Power Plant, Bore Hole

03 : 304 5.31

4 004 - 01 Ketigul, Power Plant, Bore Hole

03 : 375 5.72

5 005 - 01 Ketigul, Power Plant, Bore Hole

04 : 30.9 4.23

6 006 - 01 Ketigul, Power Plant, Bore Hole

04 : 215 4.91

7 007 - 01 Ketigul, Power Plant, Bore Hole

04 : 82.7 5.65

8 008 - 01 Ketigul, Power Plant, Bore Hole

(44)

Berdasarkan penulusuran tahanan jenis tanah dapat dilihat pada tabel 6. Tabel 6. Penulusuran Jenis Tanah

No Deskripsi Kedalaman

(m)

Konduktivitas µ mhosicrn

Restivitas (Ω . m) 1