LANDASAN TEORI PENTANAHAN

2.1 Sistem Pentanahan
Sistem  pentanahan  yang  digunakan  baik  untuk pentanahan  netral  dari  suatu
sistem  tenaga  listrik  , pentanahan  sistem  penangkal  petir  dan  pentanahan  untuk  suatu
peralatan  khususnya  dibidang telekomunikasi  dan  elektronik  perlu  mendapatkan
perhatian  yang  serius,  karena  pada  prinsipnya  pentanahan  tersebut  merupakan  dasar
yang digunakan untuk suatu sistem proteksi. Tidak jarang orang umum/ awam maupun
seorang teknisi masih ada kekurangan dalam memprediksikan nilai dari suatu hambatan
pentanahan.  Besaran  yang  sangat  dominan untuk  diperhatikan  dari  suatu  sistem
pentanahan  adalah hambatan sistem suatu sistem pentanahan tersebut. Sampai dengan
saat ini orang mengukur hambatan pentanahan hanya dengan menggunakan earth tester
yang  prinsipnya  mengalirkan  arus  searah  ke  dalam  sistem  pentanahan,  sedang
kenyataan yang terjadi suatu sistem pentanahan tersebut tidak pernah dialiri arus searah.
Karena  biasanya  berupa  sinusoidal  (AC)  atau  bahkan  berupa  impuls  (petir)  dengan
frekuensi  tingginya  atau  berbentuk  arus  berubah  waktu  yang  sangat  tidak  menentu
bentuknya.
Menurut Anggoro (2002)
1.perilaku tahanan sistem pentanahan sangat tergantung
pada frekuensi (dasar dan harmonisanya) dari arus yang mengalir ke sistem pentanahan
tersebut.  Dalam  suatu  pentanahan  baik  penangkal  petir  atau  pentanahan  netral  sistem
tenaga  adalah  berapa  besar  impedansi  sistem  pentanahan  tersebut.  Besar  impedansi
pentanahan tersebut sangat dipengaruhi oleh banyak faktor.
Faktor internal meliputi :
a. Dimensi konduktor pentanahan (diameter atau panjangnya).
b. Resistivitas ( nilai tahanan) relative tanah.
c. Konfigurasi sistem pentanahan.
Faktor eksternal meliputi :
a. Bentuk arusnya (pulsa, sinusoidal, searah).
b. Frekuensi yang mengalir ke dalam sistem pentanahan
7
Untuk  mengetahui  nilai-nilai  hambatan  jenis  tanah  yang  akurat  harus  dilakukan
pengukuran  secara  langsung  pada  lokasi  yang  digunakan  untuk  sistem  pentanahan
karena  struktur  tanah  yang  sesungguhnya  tidak  sesederhana  yang  diperkirakan,  untuk
setiap  lokasi  yang  berbeda  mempunyai  hambatan  jenis  tanah  yang  tidak  sama
(Hutauruk, 1991)
5
. Salah satu faktor utama dalam setiap usaha pengamanan rangkaian
listrik adalah pentanahan. Apabila suatu tindakan pengamanan yang baik dilaksanakan
maka harus ada sistem pentanahan yang dirancang dengan baik dan benar.
Syarat sistem pentanahan yang efektif
(2)
:
a. Membuat  jalur  impedansi  rendah  ke  tanah  untuk  pengaman  personil  dan
peralatan dengan menggunakan rangkaian yang efektif.
b. Dapat  melawan  dan  menyebarkan  gangguan berulang  dan  arus  akibat  surya
hubung.
c. Menggunakan  bahan  tahan  korosi  terhadap  berbagai  kondisi  kimiawi  tanah,
untuk  memastikan  kontinuitas  penampilan  sepanjang  umur  peralatan  yang
dilindungi.
d. Menggunakan  sistem  mekanik  yang  kuat  namun  mudah  dalam  perawatan  dan
perbaikan bila terjadi kerusakan.
Dalam  sistem  pentanahan  semakin  kecil  nilai  tahanan  maka  semakin  baik
terutama  untuk  pengamanan  personal  dan  peralatan,  beberapa  standart  yang  telah
disepakati  adalah  bahwa  saluran  tranmisi  substasion  harus  direncanakan  sedemikian
rupa  sehingga  nilai  tahanan  pentanahan  tidak  melebihi  1Ω untuk  tahanan  pentanahan
pada  komunikasi system/ data dan  maksimum  harga  tahanan  yang  diijinkan  5Ω pada
gedung / bangunan.
Kisi-kisi pentanahan tergantung pada kerja ganda dan pasak yang terhubung. Dari
segi besarnya nilai tahanan bahan yang dipakai pasak tidak mengurangi besar tahanan
pentanahan sistem namun mempunyai fungsi tersendiri yang penting. Bahannya sendiri
mempunyai harga impedansi awal beberapa kali lebih tinggi daripada harga tahanannya
terhadap  tanah  pada  frekuensi  rendah.  Bahan  pentanahan  dimaksudkan  untuk
mengontrol dalam batas aman sesuai peralatan yang digunakan, sedangkan pasak adalah
batang  sederhana,  hal  ini  penyebab  utama  jatuhnya  tahanan  tanah  dalam  gradien
8
tegangan  yang tinggi pada permukaan pasak. Sebagai akibat dari sifat ini maka pasak
harus ditempatkan didekat atau sekitar bangunan stasion. Dalam saluran tegangan tinggi
(132KV)  tahanan  maksimalnya  15  ohm  masih  dapat  ditoleransi  dan  dalam  saluran
distribusi (33-0,4 KV) dipilih tahanan 25 ohm.
Beberapa  metode  yang  dapat  digunakan  untuk  menurunkan  nilai  tahanan
pentanahan antara lain dengan :
a. Sistem batang elektroda pararel
b. Sistem  pasak  tanam  dalam  dengan  beberapa  pasak  dan  diperlakukan  terhadap
kondisi kimiawi tanah.
c. Dengan  menggunakan  pelat  tanam,  penghantar  tanam,  dan  beton  rangka  baja
yang secara listrik terhubung.
2.2 KONTAK TANAH
Bagian  lain  dari  sistem  pentanahan  yaitu  hubungan  tanah  itu  sendiri  dimana
kontak  antara  tanah  dengan  pasak  yang  tertanam  harus  cukup  luas  sehingga  nilai
tahanan  dari  jalur  arus  yang  masuk  atau  melewati  tanah  masih  dalam  batas  yang
diperkenankan  untuk  penggunaan  tertentu.  Hambatan  jenis   tanah  yang  akan
menentukan tahanan pentanahan yang dipengaruhi oleh beberapa faktor yang meliputi :
a. Temperatur tanah.
b. Besarnya arus yang melewati.
c. Kandungan air dan bahan kimia yang ada dalam tanah.
d. Kelembaban tanah.
e. Cuaca.
Tahanan dari jalur tanah ini relatife rendah dan tetap sepanjang tahun. Untuk memahami
tahanan tanah harus rendah, dapat dengan menggunakan hukum Ohm yaitu :
E = I X R
dimana E adalah tegangan (volt),
I adalah arus (ampere),
R adalah tahanan (ohm).
9
Hambatan arus melewati sistem elektroda tanah mempunyai 3 komponen, yaitu:
a. Tahanan pasaknya sendiri dan sambungan-sambungannya.
b. Tahanan kontak antara pasak dengan tanah disekitar.
c. Tahanan tanah sekelilingnya.
Pasak-pasak  tanah,  batang  logam,  struktur  dan  peralatan  lain  biasa  digunakan
untuk elektroda tanah, selain itu umumnya ukurannya besar sehingga tahanannya dapat
terabaikan  terhadap  tahanan  keseluruhan  sistem  pentanahan.  Apabila  pasak  ditanam
lebih  dalam  ke tanah  maka  tahanan  akan  berkurang,  namun  bertambahnya  diameter
pasak  secara  material  tidak  akan  mengurangi  nilai  tahanan  karena  nilai  tahanan
elektroda  pentanahan  tidak  hanya  bergantung  pada  kedalaman  dan  luas  permukaan
elektroda  tapi  juga  pada tahanan  tanah. Tahanan  tanah  merupakan  kunci  utama  yang
menentukan tahanan  elektrode dan pada kedalaman berapa pasak harus dipasang agar
diperoleh  tahanan  yang  rendah.  Elektrode  baja  digunakan  sebagai  penghantar  saluran
distribusi dan pentanahan substasion.
Dalam memilih penghantar dapat mempertimbangkan hal berikut :
a. Untuk tanah yang bersifat korosi sangat lambat, dengan tahanan diatas 100 ohmm, tidak ada batas perkenan korosi(corosi allowance).
b. Untuk tanah yang bersifat korosi lambat, dengan tahanan 25-100 ohm-m, batas
perkenan  korosi  adalah  15%  dengan  pemilihan  penghantarsudah
mempertimbangkan faktor stabilitas thermal.
c. Untuk tanah yang bersifat korosi cepat, dengan tahanan kurang dari 25 ohm-m,
batas  perkenan  korosi  adalah  30%  dengan  pemilihan  penghantar  sudah
mempertimbangkan faktor stabilitas thermal.
d. Penghantar  dapat  dipilih  dari  ukuran  standart  seperti  10  x  6mm  sampai  65  x
8mm.
Secara umum pentanahan dilakukan dengan mencari titik temu antara keamanan
dan  meminimalkan  biaya.  Pada  frekuensi  rendah  didasarkan pada  sistem  pentanahan
dengan diberi jarak antar elektrode. Penelitian tentang karakteristik sistem pentanahan
grid analisis dibandingkan dengan grid yang biasa (Otero et al., 2002)
2
.
10
Hasilnya menunjukan  bahwa  untuk  kerja  sistem  pentanahan  sangat  dipengaruhi
oleh  frekuensi  arus  yang  diinjeksikan.  Desain  pentanahan  grid  dilakukan  dengan
memfokuskan  pada  frekuensi  rendah  yang  mana  jarak  pemisah  elektrode  tidak  sama
lebih  efisien  daripada  jarak  pemisah  elektrode  yang  sama.  Meskipun  demikian  ketika
frekuensi  naik  seperti  saat  terjadi  petir  sistem  pentanahan  ini  mempunyai  impedansi
yang lebih tinggi sehingga mengurangi sistem keamanan.
Untuk  itu  sebelumnya  perlu  dilakukan  pengujian  permukaan  tanah  dengan
menggunakan earthing terster.
Gambar 2.1 Peralatan earthing meter
Keterangan alat:
1. Terminal
2. Skala pembacaan
3. Indikator
4. Tombol
5. Saklar untuk pemilihan pengukuran alat
6. Indeks pada skala
Pengukuran tegangan permukaan tanah dibagi menjadi 5 bagian, yaitu:
1. Pengukuran dengan perubahan arus gangguan
2. Pengukuran dengan perubahan jarak pengukuran
3. Pengukuran dengan perubahan sudut pengukuran
4. Pengukuran dengan perubahan kedalaman elektroda batang
5. Pengukuran dengan perubahan jenis tanah
11
Adapun faktor-faktor yang berpengaruh langsung pada sistem pentanahan adalah
tahanan  jenis  tanah,  diameter  dan  panjang  elektroda  pentanahan  batang bila  terinjeksi
arus AC. Seperti halnya persamaan berikut:
Rumus :
R =
.
. ( − 1 ) ……………. ( 2.1 )
L = 2. l. ln ( ) x 10
-7
………………… ( 2.2)
C = r. l x 10
-9
……………….. ( 2.3 )
18 ln
Dimana :
R = tahanan (ohm) L = Induktansi (Henri)
l = panjang elektroda ditanam (m) C = Capasitasi ( Colomb )
d = diameter elektroda pentanahan (m)
ρ = tahanan jenis tanah (ohm-m)
r = Permitivitas
2.2.1. Pengukuran dengan Perubahan Arus Gangguan
Nilai  tegangan  yang  dialirkan  ke  elektroda  batang  dibuat  bervariasi  dengan
maksud  agar  diperoleh  data  nilai  tegangan  permukaan  untuk  berbagai  arus  gangguan
tanah yang berbeda-beda. Perubahan nilai tegangan keluaran regulator diatur dari 40 –
240 Volt, dengan setiap kenaikannya sebesar 40 Volt. Pengukuran tegangan permukaan
dilakukan mulai jarak 0 – 4,0 m, dengan variasi perubahannya 0,2 m. Titik-titik di tanah
yang  akan diukur tegangan permukaan tanahnya  ditanami paku dengan kedalaman 10
Cm  agar  pengukurannya  menjadi  lebih  mudah.  Disamping  nilai  tegangan  permukaan
tanah, data pengukuran lain yang diambil ialah besarnya tegangan masukan (Vin) dan
arus (I). Hal yang sama dilakukan untuk berbagai jenis tanah dengan kedalaman 0,5 m
dan 1,0 m. Dari hasil pengukuran yang dilakukan diperoleh bahwa kenaikan nilai arus
gangguan  tidak  menjamin  tingginya  nilai  tegangan  permukaan.  Karena  nilai  tegangan
permukaan  sangat  tergantung  pada  jenis  tanah  dimana  panjang  dan  kedalaman
pembenaman elektroda batang.
12
Gambar 2.2 Pemasangan Earthing Meter Pada Saat Pengukuran
2.2.2. Pengukuran dengan Perubahan Jarak Pengukuran
Struktur  fisik  elektroda  berpengaruh  besar  terhadap  besarnya  tahanan  sistem
pentanahan.  Pembahasan  berikut  akan  memperjelas  bahwa  selain  tahanan  jenis  tanah,
perubahan jarak pengukuran dari elektroda pentanahan juga merupakan faktor dominan
dalam sistem pentanahan. Gambar grafik 2.1 menunjukkan pengaruh perubahan radius
elektroda batang terhadap resistan pentanahan. Penambahan radius relatif berpengaruh
besar terhadap jenis tanah dengan tahanan jenis tinggi, pada jenis tanah dengan tahanan
jenis rendah perubahan radius elektroda batang (rod) relatif tidak berpengaruh.
Gambar Grafik 2.1. Pengaruh Diameter Elektroda
Terhadap Resistansi Pentanahan
13
Nilai tegangan yang dilewatkan pada elektroda diusahakan tetap yakni 220 Volt
dengan  arah  pengukuran  dibuat  bervariasi.  Tujuannya  agar diperoleh  data  distribusi
tegangan  permukaan  disekitar  batang  elektroda  pentanahan  dengan  beberapa  arah
pengujian.  Pelaksanaan  pengukuran  tegangan  permukaan  tanah  dilakukan  mulai  jarak
terdekat 0– 4m, dengan variasi jaraknya setiap 0,2 m.
2.2.3. Pengukuran dengan Perubahan Kedalaman Elektroda Batang
Pengaruh  kedalaman  elektroda  batang  (vertical  rod)  terhadap  tahanan
pentanahan  diilustrasikan gambar  grafik  2.2 untuk  kondisi  tanah uniform,  sedangkan
untuk kondisi tanah nonuniform diilustrasikan gambar grafik 2.3
Gambar Grafik 2.2 Pengaruh Kedalaman Elektroda
Pada Kondisi Tanah Seragam
Gambar Grafik 2.3 Pengaruh Kedalaman Elektroda
Pada Kondisi Tanah Tak Seragam
14
Kedalaman  elektroda  pentanahan  adalah  faktor  penting  dalam  sistem
pentanahan.  Semakin  dalam  elektroda  dipasang  resistansi  pentanahan  semakin  turun,
hal ini disebabkan semakin dalam elektroda dipasang kelayakan kualitas secara elektris
semakin  baik  diperoleh.  Panjang  elektroda  yang  dipasang  sedapat  mungkin  dekat
dengan  daerah  embunan  permanen tanah.  Kegagalan  mencapai  embunan  tidak  hanya
menyebabkan  resistansi  yang  tinggi,  tetapi  juga  menyebabkan  variasi-variasi  tahanan
pentanahan  yang  cukup  kompleks  selama  perubahan  musim.  Resistivitas tanah  jarang
dijumpai memiliki nilai yang sama atau seragam, biasanya beberapa titik pertama dari
kedalaman  yang  dekat  permukaan  mempunyai  resistansi  yang  relatif  tinggi  dan
merupakan  pokok  persoalan  untuk  mengganti  pembahasan  dan  pengeringan  karena
variasi curah hujan, sedangkan tanah yang lebih dalam relatif lebih stabil.
2.2.4. Pengukuran dengan perubahan jenis tanah
Tanah terbagi menjadi beberapa jenis :
a. Jenis tanah kapur
Gambar Grafik 2.4 Tegangan Permukaan Tanah Kapur Kedalaman 0,5m
Tampak  dari  grafik 2.4,  hasil  data  yang  diperoleh,  bahwa  tegangan
permukaan  mencapai  puncaknya  sebesar  8,2  V  untuk  tegangan  gangguan  80  V,
dengan  jarak  0,2  m  dari  elektroda.  Diperoleh  nilai  R-tanah  (tahanan  tanah)  yang
cukup  rendah  yakni  9,2  Ohm,  padahal  dalam  sistem  pentanahan  disyaratkan  Rtanah lebih kecil dari 10 Ohm. Fenomena lain  yang didapati dari percobaan jenis
15
tanah ini adalah percobaan tidak bisa dilanjutkan untuk tegangan gangguan 120 V.
Hal  ini  terjadi  dikarenakan  kondisi  tanah  yang  terlalu  basah  dikarenakan  malam
sebelumnya terjadi hujan  yang  cukup lebat ditempat tersebut. Sehingga pada saat
pengukuran hanya mampu mencapai tegangan  gangguan 108 V dengan  arus 2,11
A,  kondisi  dimana  terjadi  hubung  singkat  antara  elektroda  pentanahan  dengan
pasak  netral.  Akibat  dari  kondisi  beban  tersebut,   pengukuran  kemudian  tidak
dilanjutkan untuk nilai tegangan gangguan yang lebih tinggi.karena dapat berakibat
terjadi  konsleting. Kesimpulan  sementara  menunjukkan  walaupun  memiliki  Rtanah yang rendah, belum menjamin akan memiliki sistem pentanahan yang baik.
Faktor lain yang mempengaruhi adalah diameter dan panjang elektroda batang yang
digunakan  dan  dibenamkan  ke  dalam  tanah.  Konfigurasi  pengukuran  ini  hanya
mampu  mendistribusikan  nilai  tegangan  permukaan  secara  horizontal  atau
menyamping.
Jenis tanah kapur = R tanah = 6,2. Kedalaman 1m. sudut = 0
Gambar Grafik 2.5 Tegangan Permukaan
Tanah Kapur Kedalaman 1m
Tampak dari gambar grafik 2.5 hasil data yang diperoleh, bahwa tegangan
permukaan  mencapai  puncaknya  sebesar  5,2  V  untuk  tegangan  gangguan  80  V,
dengan  jarak  0,2  m  dari  elektroda.  Diperoleh  nilai  R-tanah  (tahanan  tanah)  yang
16
cukup  rendah  yakni  6,2  Ohm,  padahal  dalam  sistem  pentanahan  disyaratkan  Rtanah lebih kecil dari 10 Ohm.
Diperoleh nilai tegangan permukaan yang kecil yakni kurang dari 1 V untuk
tegangan gangguan yang lebih besar dari 80 V. Sehingga bisa disimpulkan sistem
pentanahan bekerja lebih optimal untuk konfigurasi pengukuran seperti ini. Dengan
kata lain arus gangguan tanah yang dialirkan bisa langsung di distribusikan dalam
radius  yang  sangat  kecil.  Nilai tegangan  permukaan  masih  dipengaruhi  oleh
diameter dan panjang  elektroda batang  yang digunakan dan dibenamkan kedalam
tanah. Dan  kondisi  partikel  dari  jenis  tanah  kapur  ini  akan  semakin  baik  dalam
mengalirkan muatan listrik manakala diberi arus gangguan yang semakin tinggi.
b. Jenis tanah lembab-pasir
Jenis tanah lembab = R Tanah >> 1000 ohm. Kedalaman = 0,5 m. Sudut = 0
Gambar Grafik 2.6 Tegangan Permukaan Tanah
Lembab Pasir Kedalaman 0,5m
Tampak dari gambar grafik 2.6 hasil data yang diperoleh, bahwa tegangan
permukaan mencapai puncaknya sebesar 50,5 V untuk tegangan gangguan 240 V,
dengan jarak 0,2 m dari elektroda batang. Diperoleh nilai R-tanah yang sangat besar
yakni diatas 1000 Ohm, padahal dalam sistem pentanahan disyaratkan Rtanah lebih
kecil dari 10 Ohm. Kenaikan nilai tegangan gangguan yang diberikan, diikuti oleh
17
nilai tegangan permukaan  yang semakin besar. Sehingga bisa disimpulkan sistem
pentanahan  tidak  bekerja  optimal  untuk  jenis  tanah  lembab-pasir  seperti ini.
Dengan  kata  lain  arus  gangguan  tanah  yang  dialirkan  tidak  bisa  langsung  di
distribusikan  dalam  radius  yang  sangat  kecil.  Bahkan  nilainya  semakin  besar
mengikuti besarnya nilai arus  gangguan.  Kondisi partikel dari jenis tanah lembab
pasir  ini  memang  kurang  baik  dalam  mengalirkan  muatan  listrik  manakala  diberi
arus  gangguan  yang  semakin  tinggi,  karena  partikel  penyusunnya  terdiri  dari
butiran-butiran  batu  yang  memiliki  rongga  udara.  Kondisi  temperatur  pun  tidak
banyak  berperan  dalam  memperbaiki  sistem  pentanahan  untuk  kondisi  tanah
lembab-pasir.
Jenis tanah lembab = R Tanah >> 1000 ohm. Kedalaman = 1 m. Sudut = 0
Gambar Grafik 2.7 Permukaan Tanah Lembab-Pasir Kedalaman 1 m
Tampak dari gambar grafik hasil 2.7, data yang diperoleh, bahwa tegangan
permukaan mencapai puncaknya sebesar 48,5 V untuk tegangan gangguan 240 V,
dengan jarak 0,2 m dari elektroda batang. Diperoleh nilai R-tanah yang sangat besar
yakni diatas 1000 Ohm, padahal dalam sistem pentanahan disyaratkan Rtanah lebih
kecil dari 10 Ohm. Kenaikan nilai tegangan gangguan yang diberikan, diikuti oleh
nilai tegangan permukaan  yang semakin besar. Sehingga bisa disimpulkan sistem
pentanahan tidak dapat bekerja optimal untuk jenis tanah lembab-pasir seperti ini.
18
Dengan  kata  lain  arus  gangguan  tanah  yang  dialirkan  tidak  bisa  langsung
didistribusikan dalam radius yang sangat kecil.
Bahkan  nilainya  semakin  besar  mengikuti  besarnya  nilai  arus  gangguan.
Nilai  tegangan  permukaan  juga  tidak  dipengaruhi  oleh  panjang  elektroda  batang
yang digunakan dan dibenamkan kedalam tanah. Kondisi partikel dari jenis tanah
lembab-pasir ini memang kurang baik dalam mengalirkan muatan listrik manakala
diberi arus gangguan yang semakin tinggi, karena partikel penyusunnya terdiri dari
butiran-butiran  batu  yang  memiliki  rongga  udara.  Kondisi  temperatur  pun  tidak
banyak  berperan  dalam  memperbaiki  sistem  pentanahan  untuk  kondisi  tanah
lembab-pasir.
c. Jenis tanah lempung
Tampak dari gambar grafik 2.8, hasil data yang diperoleh, bahwa tegangan
permukaan  mencapai  puncaknya  sebesar  7,03  V  untuk  tegangan  gangguan  120V,
dengan jarak 0,2m dari elektroda batang. Diperoleh nilai R-tanah yang kecil yakni
55 Ohm, padahal dalam sistem pentanahan disyaratkan R-tanah lebih kecil dari 10
ohm.
Jenis tanah lempung = R Tanah = 55 ohm. Kedalaman = 0,5 m. Sudut = 0
Gambar Grafik 2.8 Tegangan Permukaan Tanah Lempung
Kedalaman 0,5m
19
Kenaikan  nilai  tegangan  gangguan  yang  diberikan,  diikuti  oleh  nilai
tegangan permukaan yang semakin besar sampai pada tegangan gangguan 120 V.
Sehingga bisa disimpulkan sistem pentanahan kurang dapat bekerja optimal untuk
jenis tanah lempung seperti ini. Arus  gangguan  tanah  yang dialirkan baru bisa di
distribusikan dalam radius yang lebih besar dibandingkan jenis tanah kapur-basah.
Nilai  tegangan  permukaan  juga  dipengaruhi  oleh  panjang  elektroda  batang  yang
digunakan  dan  dibenamkan  kedalam  tanah.  Jenis  tanah  lempung  ini  memang
memiliki  partikel  yang  mampu  menyimpan  air  cukup  lama.  Sehingga  baik  dalam
mengalirkan  muatan  listrik  manakala  diberi  arus  gangguan  yang  semakin  tinggi,
karena air memiliki sifat konduktor terhadap loncatan listrik.
Jenis tanah lempung = R Tanah = 22 ohm. Kedalaman = 1 m. Sudut = 0
Gambar Grafik 2.9 Tegangan Permukaan Tanah Lempung
Kedalaman 1m
Tampak dari gambar grafik 2.9. hasil data yang diperoleh, bahwa tegangan
permukaan mencapai puncaknya sebesar 0,001 V untuk semua tegangan gangguan
yang diberikan, dengan jarak 0,2 m dari elektroda batang. Diperoleh nilai R-tanah
yang  kecil  yakni  22  Ohm,  padahal  dalam  sistem  pentanahan  disyaratkan  R-tanah
lebih kecil dari 10 Ohm. Nilai tegangan gangguan yang diberikan ternyata mampu
20
terdistribusi dengan baik, bahkan nilai tegangan permukaan yang ada sangat kecil.
Hal ini sangat jelas terlihat pada grafik diatas, sejak dari nilai tegangan gangguan
yang kecil–besar, semua mampu disebarkan secara vertikal atau ke bawah elektroda
batang. Sehingga bisa disimpulkan sistem pentanahan dapat bekerja optimal untuk
jenis tanah lempung seperti ini.
Arus gangguan tanah yang dialirkan baru bisa di distribusikan dalam radius
yang  sangat  kecil  dari  pada  jenis  tanah  yang  lain.  Selain  itu,  nilai  tegangan
permukaan  juga  dipengaruhi  oleh  panjang  elektroda  batang  yang  digunakan  dan
dibenamkan kedalam tanah. Kondisi partikel dari jenis tanah lempung ini memang
cukup lama bisa menyimpan air, sehingga baik dalam mengalirkan muatan listrik
manakala  diberi  arus  gangguan  yang  semakin  tinggi,  karena  air  memiliki  sifat
konduktor terhadap loncatan listrik.
d. Jenis tanah kering-pasir
Jenis tanah pasir = R Tanah = 1000 ohm. Kedalaman = 0,5 m. Sudut = 0
Gambar Grafik 2.10 Permukaan Tegangan Tanah Pasir Kedalaman 0,5m
Tampak dari gambar grafik 2.10 hasil data yang diperoleh, bahwa tegangan
permukaan  mencapai  puncaknya  sebesar  53  V  untuk  tegangan  gangguan  240  V,
dengan jarak 0,2 m dari elektroda batang. Diperoleh juga nilai R-tanah yang sangat
besar  yakni  diatas  1000  Ohm,  dimana  dalam  sistem  pentanahan  disyaratkan  Rtanah lebih kecil dari 10 Ohm. Kenaikan nilai tegangan gangguan yang diberikan,
21
diikuti  oleh  nilai  tegangan  permukaan  yang  semakin  besar.  Sehingga  bisa
disimpulkan sistem pentanahan tidak bekerja optimal untuk jenis tanah kering-pasir
seperti  ini.  Jadi  arus  gangguan  tanah  yang  dialirkan  tidak  bisa  langsung  di
distribusikan  dalam  radius  yang  sangat  kecil.  Bahkan  nilainya  semakin  besar
mengikuti besarnya nilai arus gangguan.
Kondisi  partikel  dari  jenis  tanah  lembab-pasir  ini  memang  kurang  baik
dalam  mengalirkan  muatan  listrik  manakala  diberi  arus  gangguan  yang  semakin
tinggi, karena partikel penyusunnya terdiri dari butiran-butiran batu yang memiliki
rongga  udara.  Kondisi  ini  semakin  buruk  dengan  tingginya  temperatur  yang  ada,
sehingga  kondisi  tanah  benar-benar  tidak  mengandung  faktor  yang  mampu
meningkatkan sistem pentanahan yang ada.
Jenis tanah pasir = R Tanah = 1000 ohm. Kedalaman = 1 m. Sudut = 0
Gambar Grafik 2.11 Permukaan Tegangan Tanah Pasir Kedalaman 1m
Tampak dari gambar grafik 2.11 hasil data yang diperoleh, bahwa tegangan
permukaan mencapai puncaknya sebesar 27,2 V untuk tegangan gangguan 240 V,
dengan jarak 0,2 m dari elektroda batang. Diperoleh nilai R-tanah yang sangat besar
22
yakni  diatas  1000  Ohm,  padahal  dalam  sistem  pentanahan  disyaratkan  R-tanah
lebih kecil dari 10 Ohm. Kenaikan nilai tegangan gangguan yang diberikan, diikuti
oleh  nilai  tegangan  permukaan  yang  semakin  besar.  Sehingga  bisa  disimpulkan
sistem  pentanahan  tidak  dapat  bekerja  optimal  untuk  jenis  tanah  lembab-pasir
seperti ini.
Jadi arus gangguan tanah yang dialirkan tidak bisa langsung di distribusikan
dalam radius yang sangat kecil. Bahkan nilainya semakin besar mengikuti besarnya
nilai arus gangguan. Nilai tegangan permukaan juga tidak dipengaruhi oleh panjang
elektroda batang yang digunakan dan dibenamkan kedalam tanah. Kondisi partikel
dari  jenis  tanah  kering-pasir  ini  memang  kurang  baik  dalam  mengalirkan  muatan
listrik  manakala  diberi  arus  gangguan  yang  semakin  tinggi,  karena  partikel
penyusunnya terdiri dari butiranbutiran batu yang memiliki rongga udara. Kondisi
ini semakin buruk dengan tingginya temperatur  yang  ada, sehingga kondisi tanah
benar-benar  tidak  mengandung  faktor  yang  mampu  meningkatkan  sistem
pentanahan yang ada.
2.3. Faktor Penyebab Tegangan Permukaan Tanah
a. Pengaruh uap lembab dalam tanah
Kandungan  uap  lembab  dalam  tanah  merupakan  faktor  penentu  nilai
tegangan tanah. Variasi dari perubahan uap lembab akan membuat perbedaan yang
menonjol  dalam  efektifitas  hubungan  elektroda  pentanahan  dengan  tanah.  Hal  ini
jelas  telihat  pada  kandungan  uap  lembab  di  bawah  20%.  Nilai  di  atas  20%
resistivitas tanah tidak banyak terpengaruh, tetapi di bawah 20% resistivitas tanah
meningkat drastis dengan penurunan kandungan uap lembab.
Berkaitan dengan kandungan uap lembab, tes bidang menunjukkan bahwa
dengan lapisan permukaan tanah 10 kali akan lebih baik ditahan oleh batas dasar.
Elektroda  yang  dipasang  dengan  dasar  batu  biasanya  memberikan  kualitas
pentanahan  yang  baik,  hal  ini  disebabkan  dasar-dasar  batu  sering tidak  dapat
tembus  air  dan  menyimpan  uap  lembab  sehingga  memberikan  kandungan  uap
lembab yang tinggi.
23
b. Pengaruh tahanan jenis tanah
Tahanan tanah merupakan kunci utama yang menentukan tahanan elektroda
dan pada kedalaman berapa elektroda harus ditanam agar diperoleh tahanan  yang
rendah.  Tahanan  tanah  bervariasi  di  berbagai  tempat  dan  cenderung  berubah
menurut  cuaca.  Tahanan  tanah  ditentukan  juga  oleh  kandungan  elektrolit  di
dalamnya, kandungan air, mineral-mineral dan garam-garam.
Tanah  yang  kering  biasanya  mempunyai  tahanan  yang  tinggi,  namun
demikian  tanah  yang  basah  juga  dapat  mempunyai  tahanan  yang  tinggi  apabila
tidak  mengandung  garam-garam  yang  dapat  larut.  Tahanan  tanah  berkaitan
langsung  dengan  kandungan  air  dan  suhu,  dengan  demikian  dapat  diasumsikan
bahwa  tahanan  suatu  sistem  pentanahan  akan  berubah  sesuai  dengan  perubahan
iklim  setiap  tahunnya.  Untuk  memperoleh  kestabilan  resistansi  pentanahan,
elektroda  pentanahan  dipasang  pada  kedalaman  optimal  mencapai  tingkat
kandungan air yang tetap.
c. Pengaruh temperatur
Temperatur  akan  berpengaruh  langsung  terhadap  resistivitas  tanah  dengan
demikian  akan  berpengaruh  juga  terhadap  performa  tegangan  permukaan  tanah.
Pada musim dingin struktur fisik tanah menjadi sangat keras, dan tanah membeku
pada  kedalaman  tertentu.  Air  di  dalam  tanah  membeku  pada  suhu  di  bawah  0
0
C
dan  hal  ini  menyebabkan  peningkatan  yang  besar  dalam  koefisien  temperatur
resistivitas  tanah.  Koefisien  ini  negatif,  dan  pada  saat  temperature  menurun,
resistivitas naik dan resistansi hubung tanah tinggi. Pengaruh temperatur terhadap
resistivitas tanah dijelaskan dalam tabel 2.1 sebagai berikut:
24
Tabel 2.1 Efek Temperature Terhadap Resistivitas Tanah
No Temperatur (
o
C ) Resistivitas ( ohm )
1 -5 70.000
2 0 30.000
3 0 10.000
4 10 8000
5 20 7000
6 30 6000
7 40 5000
8 50 4000
Sumber : IEEE std 142-1991
Tabel 2.2 Resistivitas Berbagai Jenis Tanah
No Deskripsi Tanah Tahanan jenis tanah (ohmCm)
1 Mengandung  kerikil  tinggi,  campuan  kerikil
dan pasir kerapatan rendah dan tidak halus
60.000-100.000
2 Mengandung  kerikil  dan  tandus,  campuan
kerikil  dan  pasir  kerapatan  rendah  dan  tidak
halus
100.000-250.000
3 Berkerikil dan liat, tandus, campuran tanah liat
dan pasir
20.000-40.000
4 Pasir berlumpur, campuran pasir dan lumpur 10.000-50.000
5 Pasir liat, campuran pasir dan tanah liat, tandus 5000-20.000
6 Pasir  halus  berlumpur  dan  liat  mengandung
plastic berkonsetrasi rendah
3000-8000
7 Pasir halus atau tanah lumpur, lumpur elastic 8000-30.000
8 Tanah  liat  berkerikil,  liat berpasir,  liat
berlumpur, tidak liat
2500-6000**
9 Liat aborganik dengan kandungan plastic tinggi 1000-5.500**
Sumber : IEEE std 142-1991
25
d. Perubahan resistivitas tanah
Seperti  telah  dijelaskan  sebelumnya  bahwa  resistivitas  tanah  sangat
tergantung dengan material pendukung tanah, temperatur dan kelembaban. Daerah
dengan  struktur  tanah  berpasir,  berbatu  dan  cenderung  berstruktur  tanah  padas
mempunyai  resistivitas  yang  tinggi.  Disinyalir  kondisi  tanah  yang  demikian
diakibatkan kerusakan  yang terjadi di permukaan tanah, berkurangnya tumbuhantumbuhan  yang  dapat  mengikat  air  mengakibatkan  kondisi  tanah  tandus  dan
berkurang kelembabannya.
e. Korosi
Komponen  sistem  pentanahan  dipasang  di  atas  dan  di  bawah  permukaan
tanah, keduanya menghadapi karakteristik lingkungan yang berlainan. Bagian yang
berada  di  atas  permukaan  tanah,  asap  dan  partikel  debu  dari  proses  industri  serta
partikel terlarut  yang terkadung dalam air hujan akan mengakibatkan korosi pada
konduktor. Bagian di bawah tanah, kondisi tanah basah  yang mengandung materi
alamiah,  bahan-bahan  kimia  yang  terkontaminasi  didalamnya  juga  dapat
mengakibatkan korosi. Secara umum terdapat dua penyebab terjadinya korosi yaitu:
1. Korosi bimetal (bimetallic corrosion)
Penyambungan  logam  yang  tidak  sejenis  dan  terdapat cairan  konduktif
listrik ringan adalah situasi yang sangat banyak terjadi di bawah tanah. Logam
yang mempunyai sifat lebih rentan akan lebih cepat mengalami korosi. Tabel 2.3
memperlihatkan klasifikasi logam berdasarkan daya tahan terhadap korosi. Jika
logam  terletak  pada  tanah  dengan  kandungan  elektrolit  tinggi,  logam  dengan
daya  tahan  lebih  tinggi  bersifat  katodik  sedangkan  logam  yang  lebih  rentan
bersifat anodik. Logam yang bersifat anodik akan terkorosi.
Metode untuk mencegah terjadinya korosi galvanis dengan menerapkan
aturan  daerah  (areas rule).  Area  logam  anodik  (khususnya  untuk  baja)  dibagi
dengan area logam katodik (khusus untuk tembaga). Perbandingan antara anodik
dan katodik menurun, resiko kecepatan korosi naik dengan tajam.
26
Tabel 2.3 Efek karakteristik tanah dan cuaca terhadap korosi
No Tanah
Pertumbuhan korosi (inch x 10
-3
/tahun Karakter tanah & iklim
Tembaga Kuningan Timah Baja
Besi
tuang
Suhu
Curah
hujan
Lembap
(%)
pH
Rho
(ohm.m)
1 Sisa arang 1,58 3,51 3,22 9067 >>20 46 30 11 8.0 455
2 Lumpur
rawa
0,81 0,04 0,02 2013 2,51 52 43 55 3.1 60
3 Lumpur
rawa
0,62 0,04 0,2 2031 1,09 66 45 47 2.9 84
4 Gambut 0,91 0,64 0,7 2,77 3,82 49 37 43 2.6 218
5 Gambut 0,17 0,25 - 1,81 2,47 46 30 73 4.8 800
6 Lumpur 0,29 0,49 0,64 2,61 3,59 69 57 58 4.0 712
7 Lumpur 0,16 0,39 0,36 2,27 3,90 69 57 34 4.2 1270
8 Basa 0,04 0,02 0,02 1,23 2,00 47 15 15 7.4 263
9 Liat 0,60 0,30 0,05 >>20 >>20 58 16 41 8.3 62
10 Liat 0,11 0,14 0,12 4,67 >>20 69 49 29 7.1 406
11 Liat bata 0,11 0,11 0,07 2,59 3,84 61 10 5 6.8 408
12 Liat bata 0,04 0,10 0,06 0,60 0,57 61 48 29 5.2 30000
Masalah lain yang mungkin terjadi adalah sambungan antara logam yang
berbeda  seperti  tembaga  dan  aluminium  atau  tembaga  dengan  baja  dimana
sambungannya tidak dilindungi dan mudah terpengaruh oleh kelembaban resiko
terjadinya korosi sangat tinggi
2. Korosi kimia (chemical corrosion)
Berdasarkan  skala  pH,  kondisi  tanah  dapat  dibedakan  menjadi  kondisi
asam, basa dan netral. Korosi kimia akan terjadi pada tanah asam ataupun basa.
Kecepatan korosi akan dipengaruhi oleh daya tahan logam, jika logam bersifat
rentan maka akan lebih cepat terkorosi. Sebagai pedoman, material yang berada
di sekeliling elektroda sebaiknya relatif netral.
27
2.4 Usaha Menurunkan Tegangan Permukaan Tanah
2.4.1 Perlakuan Kimiawi Tanah
Metode  konvensional  untuk  menurunkan  tegangan  permukaan  tanah  yang
bernilai tinggi adalah dengan menurunkan tahanan jenis tanah. Beberapa zat aditif yang
ditambahkan  di  dalam  tanah  terbukti  mampu  menurunkan  tahanan  jenis  tanah  dan
secara  langsung  akan  menurunkan  tegangan  permukaan  tanah.  Beberapa  jenis  garam
yang  secara  alamiah  terkandung  di  dalam  tanah  cenderung  bersifat  konduktif  dan
menurunkan  tahanan  jenis  tanahnya.  Penambahan  aditif  harus  diperhitungkan  cermat
karena  beberapa  aditif  pada  dosis  tertentu  cenderung  bersifat  korosif  yang  sangat
dihindari dalam sistem pentanahan.
Buku-buku  pentanahan  kuno  (1930-an),  menyatakan  bahwa  tahanan  elektroda
dapat turun sampai dengan 90 % dengan perlakuan kimia. Bahan bahan yang digunakan
adalah  sodium  klorid  (garam),  magnesium  sulfat  (garam  Inggris),  tembaga  sulfat,
sodium  karbonat  (soda  api),  dan  kalsium  klorid.  Bahan-bahan  ini  disebar  disekitar
elektroda  melalui  sebuah  lubang  di  sekeliling  elektroda.  Resitivitas  yang  dihasilkan
dapat  turun  0,2  Ohm-m  dengan  menambahkan  soda  api  dan  0,1  Ohm-m  dengan
penambahan  garam  dapur.  Bahan-bahan  terbaru  yang  digunakan  untuk  menurunkan
tahanan jenis tanah antara lain sebagai berikut:
a. Bentonite
Bentonite  adalah bahan  alami  berupa  tanah  liat  berwarna  coklat  muda
sewarna  minyak  zaitun  dengan  tingkat  keasaman  rendah,  mempunyai  pH  10,5.
Bentonite  mampu  menyerap  air  disekitarnya  lima  kali  berat  bentonite  sendiri  dan
menahannya.  Dimensinya  dapat  mengembang  13  kali  volume  keringnya.  Nama
kimia  bentonite  adalah  sodium  montmorillonite.  Dalam  kondisi  tak  jenuh  zat  ini
mampu menyerap kelembaban tanah sekitar dan hal ini yang menjadikan bentonite
digunakan.  Zat  ini  mempunyai  resistivitas  rendah  sekitar  5  Ohm  dan  bersifat  non
korosif.
Bentonite  berkarakter  tiksotropik,  berbentuk  gel  dan  tidak  mudah  bereaksi
sehingga  sebaiknya  disimpan  dalam  tempat  tertutup.  Bentonite  biasa  digunakan
sebagai  bahan  pengisi  untuk driven  rod dalam,  zat  ini  cenderung  menempel  kuat
pada  rod tersebut.  Kondisi  tanah  yang  sangat  kering  dengan  periode  yang  cukup
28
panjang  akan  mengakibatkan  bentonite  pecah  dengan  sedikit  kontak  elektroda
terhadapnya.  Aplikasi  bentonite  di  Inggris  tidak  terjadi  hal  yang  demikian  karena
kondisi tanah yang sangat kering jarang terjadi.
b. Marcionite
Marcionite adalah bahan  yang bersifat konduktif dengan kandungan kristal
karbon yang cukup tinggi pada fase normalnya, dan juga mengandung belerang dan
klorida  dengan  konsentrasi  rendah.  Seperti  halnya  bentonite,  marcionite  akan
bereaksi korosif terhadap logam tertentu, dan memiliki tahanan jenis rendah. Logam
yang  digunakan  sebaiknya  dilapisi  bitumen  atau  cat  bitumastik  sebelum
dihubungkan  dengan  marcionite.  Aluminium,  lapisan  timah  dan  baja  galvanis
sebaiknya jangan dipasang pada marcionite.
Marconite dapat mempertahankan kelembabannya dalam kondisi lingkungan
sangat  kering  sehingga  kelemahan  bentonite  dapat  ditutup  oleh  marcionite.
Marcionite  juga  digunakan  sebagai  bahan  anti  statik  pada  lantai  dan  tabir
elektromagnetik. Marcionite terdaftar dalam merek dagang Marconi Communication
System United.
c. Gypsum
Adakalanya  kalsium  sulfat  (gypsum)  digunakan  sebagai  bahan  uruk,  baik
dalam  fase  sendiri  maupun  dicampur  dengan  bentonite  atau  dengan  tanah  alami
berasal  dari  daerah  tersebut.  Gypsum  mempunyai  kelarutan  yang  rendah  sehingga
tidak  mudah  dihilangkan,  tahanan  jenisnya  rendah  berkisar  5-10  Ohm-m  pada
kondisi jenuh. Dengan pH berkisar 6,2 -6,9, gypsum cenderung bersifat netral.
Gypsum tidak mengkorosi tembaga, meskipun terkadang kandungan ringan
SO3
menjadi  masalah  pada  struktur  dasar  dan  fondasi.  Zat  ini  tidak  mahal  dan
biasanya  dicampur  dengan  tanah  urukan  sekitar  elektroda.  Diklaim  zat  ini
membantu mempertahankan tahanan yang rendah dengan periode waktu yang relatif
lama, pada daerah dengan kandungan garam disekitarnya dilarutkan oleh aliran air
(hujan)  Resistivitas  tanah  yang  tinggi  disinyalir  sebagai  sebab  utama  tingginya
tahanan tanah.
29
d. Arang kayu
Perlakuan  kimiawi  terhadap  tanah  dirasa  cocok  dan  murah  diterapkan
sebagai  solusi  pemecahan  terhadap  tingginya  tahanan  tanah.  Metode  tersebut
dilakukan  dengan  memberikan  bahan  urukan  (backfill  material),yang  digunakan
adalah arang kayu untuk menurunkan resitivitas tanah.
Arang kayu dimasukkan dalam lubang yang dibuat di sekitar driven ground
dengan  dimensi  diameter  1  m  dan  kedalaman  3  m.  Abu  stasiun  pembangkit  dan
arang digunakan karena kandungan karbon yang tinggi cenderung bersifat kondusif.
Namun  demikian  bahan  ini  mengandung  oksida  karbon,  titanium,  potassium,
sodium, magnesium atau kalsium bercampur dengan silika dan karbon. Pada kondisi
basah,  beberapa  zat  tersebut  tidak  dapat  dielakkan  bereaksi  dengan  tembaga  dan
baja  menyebabkan  korosi.  Dengan  demikian  penggunaan  arang  kayu  sebagai
backfill material perlu dievaluasi kembali atau mungkin perlunya lapisan pelindung
pada elektroda seperti bitumen ditambahkan.
Gambar 2.3 Perawatan Kimiawi Elektroda Pentanahan
30
2.4.2 Perawatan rutin.
Perawatan  dilakukan  untuk  mempertahankan  kondisi  optimal  kinerja
sistem  pentanahan  dilakukan rutin  setiap  1  tahun/ 6  bulan  untuk  memantau
kondisi fisik saluran transmisi berikut sistem pentanahannya. Tahanan pentanahan
diukur dengan metode yang telah dijelaskan sebelumnya. Kerusakan yang terjadi
pada sistem pentanahan biasanya diakibatkan sambungan kendur atau korosi antar
bagian elektroda. Perbaikan dilakukan dengan mengencangkan kembali baut-baut
sambungan dan membersihkan bagian elektroda dari korosi.
Telah diketahui bahwa logam, khususnya besi dan baja bila ditanam dalam
tanah  maka  akan  terjadi  pengaratan  (korosif).  Tahanan  jenis  tanah  yang  rendah
menunjukan  kandungan  larutan  garam  dan  air  yang  tinggi.  Tanah  dengan  daya
hantar  tinggi  maka  akan  tinggi  pula  daya  korosinya.  Keadaan  tanah  dapat
diklasifikasikan  dalam  4  kategori  mengacu  pada  tahanan tanah  dan  daya
korosinya, seperti terlihat pada tabel 2.4.
Tabel 2.4 Tahanan jenis tanah dan daya korosinya
No Tahanan jenis tanah (ohm-meter Daya korosi
1 0 – 25 Tinggi
2 25 – 50 Menengah
3 50 – 100 Rendah
4 > 100 Sangat rendah
Suatu  kajian  yang pernah  dilakukan  menunjukan  bahwa  korosi
menyebabkan logam berkurang sekitar 0,06 mm per tahun. Pemeliharaan terhadap
daya  korosi  yang  tinggi  dapat  dilakukan  dengan  cara  menabur  batu  kecil-kecil
didaerah  pentanahan  agar  terjadi  kenaikan  tahanan  jenis  tanah sehingga  daya
korosi akan berkurang.