Sistem Pentanahan

   Sejak dahulu petir telah banyak menimbulkan kerusakan yang merugikan manusia. Semakin banyaknya pemakaian alat elektronik dan peralatan tegangan rendah saat ini telah meningkatkan jumlah statistik kerusakan yang timbul akibat sambaran petir, baik langsung maupun tidak langsung.

   Sambaran petir pada tempat yang jauh sekalipun sudah mampu merusak sistem elektronika dan peralatannya, misalnya instalasi jaringan komputer, perangkat telekomunikasi seperti PABX dan modem, sistem kontrol, alat-alat pemancar dan instrumen, serta peralatan elektronik sensitif lainnya.

   Untuk mengatasi masalah ini, perlindungan yang sesuai harus diberikan dan dipasang pada peralatan atau instalasi terhadap bahaya sambaran petir langsung maupun induksinya.

   sistem pentanahan dan sistem proteksi, yang merupakan solusi menyeluruh berupa perlindungan peralatan elektronik, bangunan, ketersediaan layanan, dan keselamatan manusia terhadap kemungkinan bahaya kejut listrik serta kerusakan akibat petir/tegangan berlebih.

   Sistem pentanahan atau biasa disebut sebagai grounding system adalah sistem pengamanan terhadap perangkat-perangkat yang mempergunakan listrik sebagai sumber tenaga, dari lonjakan listrik utamanya petir. Sistem pentanahan digambarkan sebagai hubungan antara suatu peralatan atau sirkit listrik dengan bumi.

Tujuan Utama Sistem Pentanahan

   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: 

a) Membatasi besarnya tegangan terhadap bumi agar berada dalam batasan yang diperbolehkan 

b) 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.

Karakteristik Sistem Pentanahan yang Efektif

   Karakteristik sistem pentanahan yang efektif antara lain adalah: 

Terencana dengan baik, semua koneksi yang terdapat pada sistem harus merupakan koneksi yang sudah direncanakan sebelumnya dengan kaidah-kaidah tertentu. 

Verifikasi secara visual dapat dilakukan. 

Menghindarkan gangguan yang terjadi pada arus listrik dari perangkat. 

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

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.

Bagian-bagian yang Ditanahkan

   Dalam sebuah instalasi listrik ada empat bagian yang harus ditanahkan atau sering juga disebut dibumikan. Empat bagian dari instalasi listrik ini adalah:

a. 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. 

b. Bagian pembuangan muatan listrik (bagian bawah) dari lightning arrester. Hal ini diperlukan agar lightning arrester dapat berfungsi dengan baik, yaitu membuang muatan listrik yang diterimanya dari petir ke tanah (bumi) dengan lancar. 

c. Kawat petir yang ada pada bagian atas saluran transmisi. Kawat petir ini sesungguhnya juga berfungsi sebagai lightning arrester. 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. 

d. Kawat petir yang ada pada bagian atas saluran transmisi. Kawat petir ini sesungguhnya juga berfungsi sebagai lightning arrester. 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.

   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). Alat untuk

melakukan pentanahan ditunjukkan oleh Gambar di bawah

Macam-macam alat pentanahan

Dari gambar  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.

Batang pentanahan beserta aksesorisnya

Gambar ini menggambarkan batang pentanahan beserta aksesorisnya, yaitu; (1) Konduktor tanah, (2) Penghubung antara konduktor dengan elektroda tanah, dan (3) Elektroda tanah. 

Batang pentanahan dan lingkaran pengaruhnya (sphere of influence).=>>

Sedangkan gambar di kanan 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. 

Unsur-unsur Yang Mampengaruhi Tahanan Pentanahan. 

   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. Resistivitas bumi bervariasi dan dapat berubah-ubah dalam jarak sangat kecil dalam kaitan dengan kondisi-kondisi lokal tanah. Tabel-tabel berikut menunjukkan resistivitas bumi untuk berbagai jenis tanah. 

a. Kadar asam pH : semakin tinggi kadar asam pH pada lapisan tanah permukaan, maka tahanan jenisnya semakin rendah. 

 b.Kelembaban Tanah : semakin lembab maka kadar air pada lapisan tanah tersebut semakin tinggi dan tahanan jenisnya akan semakin rendah 

c.Temperatur Tanah : temperatur di bawah titik beku menyebabkan ion-ionnya sulit bergerak bila dibandingkan pada keadaan cair, dan ini mengakibatkan konduktivitasnya menurun serta tahanan jenisnya akan semakin tinggi. 

d,Kadar Garam : semakin tinggi kadar garamnya, misalnya tanah-tanah di pinggir pantai, maka tahanan jenisnya semakin rendah. 

e.Kepadatan Tanah : semakin padat lapisan tanahnya, semakin kecil kemampuan tanah tersebut untuk menyimpan air, maka tahanan jenis semakin tinggi. 

f.Butiran Tanah : semakin kecil butiran-butiran tanah akan semakin sedikit kemampuan tanah untuk menyimpan air, sehingga kadar airnya turun dan tahanan jenisnya semakin tinggi. 

g.Cuaca : pada waktu musim hujan tahanan jenis tanahnya semakin rendah dibandingkan pada musim panas. 

e.Macam Tanah : tanah liat, tanah berlumpur, tanah berpasir, tanah batu dan lain-lainnya mempunyai tahanan jenis tanah yang berbeda. 

Tabel Tahanan jenis berbagai macam tanah dan tahanan pentanahannya.

<<= menunjukkan tahanan jenis berbagai macam tanah serta tahanan pentanahan denganberbagai kedalaman dan apabila digunakan pita pentanahan (grounding strip) dengan berbagai ukuran panjang.

=>>

   Tahanan jenis tanah yang akan menentukan impedansi pertanahan dipengaruhi oleh beberapa faktor yang meliputi temperatur, gradien tegangan, besar arus, kandungan air dan bahan kimia, kelembaban serta cuaca Faktor keseimbangan antara tahanan dan kapasitansi disekelilingnya adalah tahanan jenis tanah yang direpresentasikan dengan ρ.

Syarat-syarat Sistem Pentanahan Yang Efektif.

   Tahanan pentanahan harus memenuhi syarat yang di inginkan untuk suatu keperluan pemakaian 

Elektroda yang ditanam dalam tanah harus : 

Bahan Konduktor yang baik 

Tahan Korosi 

Cukup Kuat 

Jangan sebagai sumber arus galvanis 

Elektroda harus mempunyai kontak yang baik dengan tanah sekelilingnya. 

Tahanan pentanahan harus baik untuk berbagai musim dalam setahun. 

Biaya pemasangan serendah mungkin. 

Faktor-faktor Yang menentukan Tahanan Pentanahan.

   Tahanan pentanahan suatu elektroda tergantung pada tiga faktor : 

a.Tahanan elektroda itu sendiri dan penghantar yang menghubungkan ke peralatan yang ditanahkan. 

b.Tahan kontak antara elektroda dengan tanah. 

c.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).

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 :

a.sifat geologi tanah 

b.Komposisi zat kimia dalam tanah 

c.Kandungan air tanah 

d.Temperatur tanah 

e.Selain itu faktor perubahan musim juga mempengaruhinya.