Proposal Tugas Akhir-Ku

 

 ANALISIS TRANSIEN BEBERAPA BATANG ELEKTRODA PEMBUMIAN PADA DUA LAPIS TANAH

 

Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam

menyelesaikan pendidikan sarjana ( S-1 ) pada

Departemen Teknik Elektro

 

Oleh

 

MITRO S. SIHOMBING

NIM : 060402018

 

 

 

 

 

 

 

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2011

ABSTRAK

 

Tujuan dari tugas akhir ini adalah untuk memberikan suatu metode prosedural dalam memperoleh sistem pembumian yang efektif yang dapat menahan arus impuls serta menentukan hubungan antara impedansi transien dengan resistansi elektroda pembumian yang ditancapkan pada dua lapis tanah. Arus impuls diterapkan pada berbagai jumlah elektroda pembumian yang disusun secara paralel dengan panjang yang berbeda dan menghasilkan impedansi transien dan potensial transien yang dapat dituangkan dalam gambar. Sistem pembumian tersebut diasumsikan sebagai suatu rangkaian R-L seri, dimana parameter-parameter R, L, C dihitung dengan persamaan umum.

Karena sifat merusak arus petir yang sangat tinggi maka perilaku sistem pembumian ketika terjadi petir menjadi penentu tingkat perlindungan yang diberikan oleh sistem pembumian tersebut. Hasil analisis tugas akhir ini diharapkan dapat memberikan informasi yang sangat berguna untuk perancangan sistem pembumian serta sistem pembumian efektif yang dapat memberikan perlindungan kepada personil dan instalasi dari sambaran petir.

I.          Judul Tugas Akhir

analisIS transien  BEBERAPA BATANG elektroda PEMBUMIAN PADA DUA LAPIS TANAH

II.        Bidang Tugas Akhir

Tugas akhir ini adalah pada bidang sistem tenaga listrik

III.       Latar Belakang

Sistem pembumian selalu didesain dengan keefektifan dan keberlanjutan. Yang dimaksud dengan keefektifan adalah kemampuan dari sistem pembumian tersebut untuk meningkatkan kinerjanya ketika kebutuhan tersebut timbul. Pembumian efektif gardu listrik sangat penting untuk meningkatkan kehandalan suplai daya karena membantu untuk menyediakan stabilitas kondisi tegangan, mencegah tegangan puncak yang berlebihan selama gangguan, memyediakan perlindungan sambaran petir dan yang sangat penting menjamin keamanan personel selama gangguan tanah dalam sistem tenaga [Osman, M (2003)]. Dengan keberlanjutan yang berarti bahwa sepanjang tahun kinerja sekitar sistem pembumian harus manpu bertahan dalam berbagai iklim.

Sampai sekarang, permasalahan utama yang berhubungan dengan sistem pembumian dalam pusat tenaga listrik dan gardu induk distribusi telah diteliti secara luas dan solusi bagaimana cara untuk memperoleh sistem pembumian yang efektif [Jinliang He (2005), Bok-Hee Lee (2004)]. Tetapi kerugian paling besar baik antara manusia maupun peralatan adalah karena sistem pembumian dirancang buruk.

Dalam tugas akhir ini disajikan metode prosedural bagaimana cara memperoleh hasil paling bagus dalam rancangan sistem pembumian, baik pusat tenaga listrik maupun gardu induk distribusi yang dapat mengefektifkan peluahan arus gangguan tanah dan arus petir dalam tanah. Sistem pembumian yang disajikan adalah beberapa batang elektroda pembumian yang ditancapkan pada dua lapis tanah disusun secara paralel. Karena sifat merusak arus petir yang sangat tinggi maka perilaku sistem pembumian ketika petir menentukan tingkat perlindungan yang diberikan oleh sistem. Hal ini membuat untuk menyajikan analisis prosedur dalam memprediksi perilaku transien dari beberapa batang elektroda pembumian yang ditanam pada dua lapis tanah.

IV.       Tujuan dan Manfaat Penulisan

Tujuan dari penulisan tugas akhir ini adalah menyajikan suatu metode prosedural dalam memperoleh sistem pembumian efektif yang dapat menahan arus impuls serta menentukan hubungan antara impedansi transien dengan resistansi elektroda pembumian yang ditancapkan pada dua lapis tanah.

Manfaat yang dapat diperoleh dari penulisan tugas akhir ini adalah diharapkan dapat memberikan informasi yang sangat berguna untuk perancangan sistem pembumian dan sistem pembumian efektif yang memberikan perlindungan sepanjang tahun untuk personil yang bekerja di sekitar peralatan listrik dan instalasi dari sambaran petir.

V.        Batasan Masalah

Adapun batasan masalah dalam tugas akhir ini adalah :

1. Konfigurasi elektroda pembumian disusun secara paralel yang ditancapkan pada dua lapisan tanah.
2. Elektroda pembumian yang dianalisis hanya pada jenis elektroda batang.
3. Bentuk gelombang impuls petir dalam penelitian ini adalah 1,5/70µs.
4. Parameter-parameter sistem pembumian yang dianalisis, yakni: panjang elektroda pembumian, dan tahanan jenis tanah,
5. Tidak membahas penurunan rumus.

VI.       Tinjauan Pustaka

2.1.      Pengukuran Tahanan Jenis

Tidak ada dua gardu induk mempunyai karakteristik tanah yang sama tidak peduli begitu dekat kedua gardu tersebut. Desain sistem pembumian untuk gardu induk distribusi dimulai dengan survei karakteristik tanah. Parameter tanah yang paling penting adalah tahanan jenisnya. Metode yang paling sering digunakan dalam penentuan tahanan jenis tempat tanah adalah metode Wenner. Dalam metode ini empat batang dengan jarak yang sama a disusun secara paralel dan ditanam dengan kedalaman b dalam tanah. Untuk masing-masing pengukuran suatu arus I diinjeksikan antara probe-probe paling luar C₁ dan C₂ dan tegangan antara probe-probe yang paling dalam P₁ dan P₂ diukur seperti pada gambar 1. Resistivitas pengukuran ρ_a dari pengukuran diberikan oleh [Puttarach, A (2007); Ramdam, E (2009)]:

(1)

Gambar 1. Metode Wenner untuk pengukuran resistivitas tanah

Jika kedalaman penanaman probe-probe tidak melebihi 0,1a dengan asumsi b = 0, persamaan 1 menjadi:

(2)

2.2.      Tahanan Jenis Pengukuran N-Lapisan Tanah

Tanah yang dikelompokkan dalam tingkatan kini dimasukkan dalam n-lapisan. Tanah yang dimodelkan diasumsikan bahwa tanah tersebut terbuat dari N-lapisan masing-masing dengan suatu resistivitas tanah yang khusus. Gambar 2 menunjukkan model dua lapisan tanah. Model tersebut terbuat dari suatu resistivitas lapisan paling atas ρ₁ dengan kedalaman terbatas h di atas resistivitas lapisan paling bawah ρ₂ dengan kedalaman tak terbatas.

Gambar 2. Model dua lapisan tanah

Resistivitas yang terlihat dari dua lapisan tanah diukur menggunakan metode Wenner diberikan dengan:

(3)

Dimana K; faktor refeksi karena perubahan resistivitas yang tiba-tiba pada batas dari setiap lapisan tanah, yang dirumuskan dengan:

(4)

2.3.      Persamaan Umum

Parameter-parameter yang penting dalam menentukan impedansi transien dari elektroda pembumian adalah resistansi elektroda pembumian (Re), resistansi elektroda (r), dan induktansi elektroda pembumian (L) serta kapasitansi elektroda pembumian (C). Impedansi transien dari elektroda pembumian secara signifikan tergantung pada induktansi sendiri dan induktansi bersama elektroda pembumian.

Dengan demikian, suatu sistem pembumian tersebut dapat dimodelkan dengan rangkaian listrik ekivalen yang terdiri dari resistansi elektroda pembumian, induktansi elektroda pembumian dan  kapasitansi pembumian, seperti pada gambar 3 di bawah ini.

Gambar 3. Rangkaian ekivalen elektroda pembumian ketika tersambar petir

            Jika sistem pembumian disambar oleh arus petir i, sistem tersebut dapat disimulasikan dengan rangkaian R-L seri dan potensial transien u dari elektroda pembumian, seperti pada persamaan berikut:

(5)

Menggunakan metode penyelesaian yang diajukan oleh [Gonos, I. F (1999)] dan mengasumsikan arus petir sebagai suatu fungsi eksponensial rangkap dua  dengan a dan b adalah konstanta, kemudian persamaan 5 dapat diungkapkan sebagai:

(6)

Dimana, τ adalah invers dari konstanta waktu dan diberikan sebagai:

(7)

Impedansi transien Z dari elektroda pembumian adalah perbandingan potensial transien dengan arus petir yang dapat dituliskan sebagai:

(8)

2.4.      M-Elektroda Pembumian

2.4.1.   Elektroda Pembumian pada Tanah Homogen

Resistansi m-elektroda pembumian dengan panjang l dan diameter d disusun dalam suatu konfigurasi paralel dan jarak pemisah l dan ditanam dalam resistivitas tanah seragam ρ_soil, dengan persamaan:

m = 1,2,…………..                                                (9)

Kapasitansi m-elektroda pembumian:

m = 1,2,……………                                                     (10)

Dengan cara yang sama, induktansi m-elektroda pembumian:

m = 1,2,…………..                                        (11)

2.4.2.   Elektroda Pembumian pada N-Lapisan Tanah

Dalam tugas akhir ini jumlah lapisan tanah dibatas sampai dua lapisan tanah dengan resistivitas tanah dan permitivitas tanah dapat diungkapkan sebagai berikut [ANSI/IEEE Std 80-2000]:

(12)

(13)

Menggabungkan persamaan 8 dan 9, resistansi elektroda pembumian dengan panjang l disusun dalam konfigurasi paralel dan jarak pemisah l dan ditanam dalam n-lapisan tanah diberikan dengan:

m = 1,2,………..                                                 (14)

Kapasitansi m-elektroda pembumian dalam n-lapisan tanah diberikan sebagai:

m = 1,2,…….                                                                (15)

Dengan cara yang sama, induktansi m-elektroda pembumian dalam n-lapis tanah:

m = 1,2,….                                                   (16)

2.4.3.   Penambahan Zat Aditif Dalam Tanah

Tanah terkhusus di daerah tropis dimana kondisi tanahya memiliki sifat resistif yang tinggi dengan rentang tahanan jenisnya antara 150 sampai 2000 ohm-meter. Untuk menentukan resistansi elektroda pembumian yang rendah membutuhkan banyak material dan tenaga kerja. Untuk menuntaskan permasalahan ini, material-material aditif biasanya dipergunakan [ANSI/IEEE Std 80-2000; Georg Eduful (2009)]. Resistansi m-elektroda pembumian dengan panjang l disusun dalam suatu konfigurasi paralel dan jarak pemisah l dan dibungkus dalam suatu material aditif dengan resistivitas ρ_en ditancapkan dalam tanah yang memiliki sifat resistif yang tinggi dengan resistivitas ρ_soil diberikan sebagai:

m = 1,2,…                               (17)

Kapasitansi m-elektroda pembumian dengan panjang l disusun dalam suatu paralel konfigurasi dan jarak pemisah l dan dibungkus dalam suatu material  aditif dengan permitivitas relatif ε_en ditancapkan dalam tanah yang memiliki sifat resistif yang tinggi dengan permitivitas relatif ε_soil diberikan sebagai

m = 1,2,….                                                   (18)

Dengan cara yang sama, induktansi dari m-elektroda pembumian yang dibungkus dalam suatu material aditif diberikan dengan:

(19)

VII.     Metode Penulisan

Metode yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah :

1. Studi Literatur

Membaca teori-teori yang berkaitan dengan topik tugas akhir ini dari buku-buku referensi baik yang dimiliki oleh penulis atau di perpustakaan dan juga dari artikel-artikel jurnal dan internet.

1. Diskusi

Penulis melakukan tanya jawab dengan dosen pembimbing, dosen-dosen lain dan juga rekan-rekan mahasiswa tentang masalah yang timbul dalam penulisan tugas akhir ini.

1. Melakukan analisis dan perhitungan.

VIII.    Sistematika Penulisan

Tugas akhir ini disusun berdasarkan sistematika pembahasan sebagai berikut :

BAB I             PENDAHULUAN

Bagian ini berisikan latar belakang permasalahan, tujuan dan manfaat penulisan, batasan masalah, metode penulisan, dan sistematika penulisan.

BAB II                        TEORI UMUM PEMBUMIAN DUA LAPIS TANAH

Bab ini membahas tentang dasar-dasar teori pembumian yang menjadi acuan dalam pembahasan tugas akhir ini.

BAB III          ELEKTRODA PEMBUMIAN

Bagian ini membahas tentang parameter-parameter yang terdapat pada elektroda pembumian yaitu resistansi, kapasitansi, induktansi dan macam-macam konfigurasi elektroda pembumian yang sering digunakan.

BAB IV          ANALISIS TRANSIEN BEBERAPA BATANG ELEKTRODA PEMBUMIAN PADA DUA LAPIS TANAH

Bagian ini memaparkan tentang analisis transien beberapa batang elektroda pembumian pada dua lapis tanah hingga analisa dan pembahasan dari grafik yang dihasilkan.

BAB V            KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi kesimpulan yang didapat dari tugas akhir dan juga saran yang bisa diberikan setelah pengerjaan tugas akhir.

RENCANA OUTLINE TUGAS AKHIR

ABSTRAK

KATA PENGANTAR

DAFTAR ISI

DAFTAR GAMBAR

DAFTAR TABEL

DAFTAR ISTILAH

BAB I             PENDAHULUAN

I.1.       Latar Belakang Masalah

I.2.       Tujuan Penulisan

I.3.       Pembatasan Masalah

I.4.       Metode Penulisan

I.5.       Sistematika Penulisan

BAB II            TEORI UMUM PEMBUMIAN DUA LAPIS TANAH

                        II.1.     Sistem Pembumian

II.2.     Karakteristik Sistem Pentanahan yang Efektif

II.3.     Tahanan Jenis Tanah

II.4.     Pengukuran Tahanan Jenis Dua Lapis Tanah

II.5.     Perbandingan Lapisan Tanah Uniform dengan Dua Lapisan Tanah

II.6.     Faktor-Faktor Penyebab Tegangan Permukaan Tanah

II.6.1.  Pengaruh Uap Lembab Dalam Tanah

II.6.2.  Pengaruh Tahanan Jenis Tanah

II.6.3.  Pengaruh Temperatur

II.6.4.  Korosi

II.7.     Usaha Menurunkan Tegangan Permukaan Tanah

BAB III          ELEKTRODA PEMBUMIAN

III.1.    Umum

III.2.    Parameter-Parameter Elektroda Pembumian

III.3.    Macam-macam Elektroda Pembumian

III.4.    Impedansi Surja Elektroda Pembumian

BAB IV          ANALISIS TRANSIEN BEBERAPA BATANG ELEKTRODA PEMBUMIAN PADA DUA LAPIS TANAH

IV.1.   Umum

IV.2.   Parameter-Parameter Penelitian

IV.3.    Analisis Transien Elektroda Pembumian

BAB V            KESIMPULAN DAN SARAN

                        V.1  Kesimpulan

V.2  Saran

DAFTAR PUSTAKA

DAFTAR PUSTAKA

1. ANSI/IEEE Std 80-2000 “IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding
2. Badan Standarisasi Nasional BSN, Persyaratan Umum Instalasi Listrik 2000 ( PUIL 2000
3.  Hutahuruk.TS, Ir.. 1987. Pengetanahan Netral Sistem Tenaga dan Pengetanahan Peralatan. Penerbit Erlangga.
4. George Eduful, Joseph Ekow Cole and Okyere, P.Y(2009)”Optimum Mix of Ground Electrodes and Conductive Backfills to Achieve a Low Ground Resistance” Proceedings of the World Congress on Engineering and Computer Science 2009 Vol. 1 WCECS 2009, October 20-22, 2009 San Francisco, USA
5. Gonos, I.F, Antoniou, M.K, Stathopulos, I.A and Topalis, F.V (1999) “Transient analysis of the behaviour of grounding systems consisted by driven rods” Progress in Simulation, Modelling, Analysis and Synthesis of Modern Electrical and Electronic Devices and Systems, pp. 130-135, World Scientific and Engineering, Athens.
6. Osman, M, Chen,G and Pilling, N (2003)”Effect of high barrier on earthing system” XIIIth International Symposium on High Voltage Engineering, Netherlands 2003, Smit(ed.) pp.1-4.
7.  Ramdan E. Rajab, N Mohamad Nor and Ramar, K (2009) “Investigation of Two-Layer Earth Parameters at Low Voltage: Measurement and Calculations” American J. Of Engineering and Applied Sciences 2(1): 165-170)

 

Bagi yang butuh lengkapnya, bisa dikirmkan permintaanyan ke email admin.
Terimakasih