Grounding 101: Grounding vs Petir

Grounding merupakan salah satu aspek yang penting pada sistem elektrikal baik untuk arus kuat maupun arus lemah. Meski begitu masih terbilang sedikit referensi tentang grounding secara menyeluruh. Kali ini saya akan coba menjabarkan fundamental tentang grounding dan mengerucut pada pembahasan grounding untuk proteksi terhadap sambaran petir.

Term grounding secara umum merupakan sebuah fasilitas yang menghubungkan bagian dari peralatan kelistrikan dan instalasi atau titik netral dari sistem ke bumi. Jadi grounding berperan untuk menyediakan jalur pelepasan baik itu arus bocor, arus gangguan atau arus petir, sehingga dapat menjaga kestabilan akibat tegangan lebih, safety dan juga sebagai referensi tegangan nol untuk memastikan safe operation pada sistem serta sebagai faktor safety untuk operator dan personil.

Klasifikasi grounding

Peralatan grounding pada sistem kelistrikan AC untuk power system secara umum dibagi kedalam tiga kategori berdasarkan fungsinya, yaitu working ground (netral grounding), grounding untuk proteksi petir dan p[rotective grounding.

Kita bahas working grounding dulu. Untuk meredam nilai tegangan pada isolasi peralatan, titik netral pada sistem tegangan tinggi harus di hubungkan ke grounding baik secara solid atau dengan tambahan impedansi. Pada kondisi normal, tegangan pada isolasi di peralatan tegangan tinggi akan sefase dengan tegangan operasi. Jika titik netral di isolasi terjadi gangguan fasa-ground, tegangan pada isolasi adalah nilai tegangan sistem pada saat sebelum PMT memutus arus gangguan. Titik netral yang di grounding dapat secara efektif mengurangi beda potensial pada isolasi sehingga dapat mengurangi ukuran isolasi dan cost tentunya.

Protective grounding berfungsi untuk memastikan keselamatan personil ketika terjadi kegagalan isolasi pada peralatan. Enclosure dari peralatan akan bertengangan saat isolasi gagal sehingga enclosure tersebut harus terhubung dengan grounding. Protective grounding juga dapat bertujuan untuk menjaga keamanan dari induksi saat melaksanakan pekerjaan pada peralatan yang dipadamkan.

Sementara itu grounding proteksi petir bertujuan untuk mencegah efek yang dihasilkan akibat sambaran petir pada instalasi maupun manusia. Arus petir yang melewati peralatan proteksi petir sangat tinggi dan bisa mencapai puluhan atau ratusan kA tetapi memiliki durasi yang sangat singkat, biasanya hanya 10 ms.

Grounding pada jaringan transmisi tegangan tinggi

Seperti yang sudah kita bahas di atas, sistem grounding pada tower transmisi berfungsi untuk menyalurkan arus sambaran petir dan arus hung singkat frekuensi jala (50 Hz) menuju bumi. Sistem grounding tersebut harus dapat menjaga level proteksi akibat petir sehingga dapat melindungi sistem dari gangguan.

Faktor yang paling krusial pada grounding untuk proteksi petir adalah impedansi impuls dari keseluruhan sistem grounding mulai dari struktur tower hingga elektroda karena mempengaruhi keefektifan proteksi petir pada sistem. Ketika mendesain proteksi petir pada tower, disamping membuat ground wire untuk mencegah terjadinya sambaran langsung ke konduktor, beda potensial antara bagian atas tower dengan konduktor fasa saat terjadinya sambaran petir harus ditekan sekecil mungkin untuk meredam efek back flashover.

Ketika petir menyambar tower, arus petir (i) akan mengalir menuju bumi melalui struktur tower ke sistem grounding dan terjadilah beda potensial yang akan dirasakan oleh isolator dengan besaran yang diwakilkan pada persamaan ini.

Dimana Ri adalah resistansi impuls grounding, L adalah induktansi body tower dengan besaran yang linier terhadap tinggi tower dan B adalah arus petir yang terbagi antara ground wire ke arah tower di sebelah tower tersambar.

Ketika muncul beda potensial antara titik atas tower dengan konduktior yang disebabkan oleh induksi arus petir yang melampaui BIL isolator, back flashover akan terjadi pada string isolato sehingga memicu terjadinya gangguan fasa ground. Kalau dilihat dari persamaan di atas, beda potensial di body tower ditentukan langsung oleh resistansi impuls grounding sehignga desain yang baik pada sistem groudning akan meningkatkan realibilitas dari jaringan transmisi tegangan tinggi.

Dari persamaan di atas juga dapat dilihat kalau resistansi impuls yang rendah akan membuat beda tegangan pada isolator juga menjadi rendah sehingga kemungkinan terjadinya back flash over menurun. Sehingga ketika mendesain jaringan transmisi, resistansi impuls pada peralatan grounding menjadi parameter penting untuk dipertimbangkan dan diupayakan untuk lebih kecil dari grounding frekuensi jala.

Masalahnya, impedansi impuls dipengaruhi dari banyak faktor seperti karakteristik tanah, gelombang puncak dan bentuk gelombang impuls serta geometri sistem grounding itu sendiri. Untuk menentukan impedansi impuls dari peralatan grounding juga bukan hal yang mudah karena membutuhkan alat uji khusus yang masih belum familiar ditemui dan harganya juga tinggi. Makanya di PLN sendiri untuk acuan pengujian performa grounding menggunakan alat ukur DC yang tidak cukup mewakili performa grounding secara keseluruhan.

Apa yang terjadi saat grounding dialiri arus impuls?

Ketika arus impuls dengan frekuensi dan amplitudo tinggi menjalar di sistem grounding, breakdown pada tanah akan terjadi sehingga beda potensial di dalam grounding akan menurun secara gradual. Breakdown tanah menyebabkan tanah terionisasi dan berubah sifatnya menjadi konduktif.

Induktansi pada grounding menyebabkan grounding memblok arus impuls untuk mengalir menuju ujung elektroda karena pengaruh dari frekuensi impuls yang tinggi. Fenomena ini mengakibatkan terjadinya persebaran arus yang tidak sama disepanjang elektroda konduktor. Elektroda yang berada pada area yang dekat dengan permukaan tanah memuat kepadatan muatan arus yang lebih tinggi dibanding pada bagian ujung elektroda.

Fenomena persebaran arus tersebut ditunjukan pada gambar di atas di mana arus yang dilepas dari elektroda ke tanah dipengaruhi oleh tingkat ionisasi tanah saat diterpa arus frekuensi tinggi.

Memodelkan elektroda grounding

Konsep dari resistansi, kapasitansi dan induktansi merupakan hal yang fundamental untuk memahami konsep dari grounding. Perhitungan dan maksud dari resistansi pasti hampir setiap engineer sudah memahami. Ketika arus I mengalir melalui suatu material dan terjadi drop tegangan V diantara material tersebut maka nilai resistansi dari material tersebut bisa kita dapatkan dengan rumus R=V/I (Ohm).

Seperti resistansi, konsep dari kapasitansi juga mudah untuk dipahami. Sederhananya terdapat beda potensial (V) diantara dua bidang yang terdapat dua muatan yang beda polaritas (+Q dan -Q). Nilai kapasitansi dari material ini dapat didefinisikan dengan rumus C=Q/V (F). Nilai kapasitansi ini mewakili kemampuan suatu struktur atau materi untuk me-maintain muatan listrik.

Sementara konsep dari induktansi cukup rumit untuk dijabarkan karena efek elektromagnetis nya sehingga lebih banyak menghasilkan miskonsepsi terkait esensinya sehingga menghasilkan kesalahan dalam perhitungan dan desain. Menentukan desain grounding yang baik tanpa memiliki pemahaman yang baik mengenai konsep dari induktansi merupakan hal yang hampir mustahil. Sejauh ini performa dari sistem grounding dinilai berdasarkan nilai resistansinya dan mengabaikan nilai induktansi dari impedansinya.

Sementara nilai kapasitansi dihubungkan dengan pemisahan muatan listrik, induktasi dihasilkan dari muatan yang bergerak atau yang disebut arus listrik. Semua arus listrik akan menghasilkan medan magnetik. Sehingga induktasi adalah fenomena yang berhubungan dengan penyimpanan energi dalam bentuk medan magnetik disekitar penghantar yang dialiri arus listrik.

Gambar di atas merupakan model dari elektroda pada grounding. Model tersebut tersusun dari komponen resistansi seri ri, induktansi seri L, shun konduktansi Gi dan shunt kapasitansi Ci.

Shunt kapasitansi C dan shunt kapasitansi G dari elektroda mewakili dari dimensi keseluruhan dari elektroda dan sifatnya relatif terhadap t impuls yang mengalir. Resistansi serial r dan induktasi serial L tidak dipengaruhi oleh ionisasi tanah. Secara fisik, resistansi serial r dan induktansi serial L mewakili diameter ekuivalen konduktor atau elektroda pada grounding. Ionisasi tanah hanya mempengaruhi kapasitansi shunt C dan konduktansi shunt G.

Berikut ini merupakan karakteristik masing-masing parameter yang ada di dalam sistem grounding.

Kapasitansi pada system pentanahan berperan Ketika terjadi step rising voltage saat surja petir melalui body tower. Semakin tinggi nilai kapasitansi, maka arus puncak impuls dapat direduksi  dengan maksimal. Untuk memaksimalkan nilai kapasitansi, maka kontak permukaan antara elektroda dengan tanah harus diperbesar. Untuk memperbesar kopling kapasitif dapat dikakukan dengan menggunakan konduktor pipih, elektroda metal lembaran, elektroda mesh, atau menggunakan 2 atau lebih driven rod parallel.

Induktansi pada sistem grounding  memiliki efek disaat arus petir yang menyambar baik pada body tower atau GSW merambat menuju bumi. Tegangan akan meningkat dikarenakan efek induktif dari system groudning sesuai L di/dt. Dimana Ketika impuls frekuensi tinggi dengan amplitude tinggi (>5kA) akan mengakibatkan kenaikan tegangan pada body tower yang sangat signifikan dan beresiko terjadinya back flashover. Untuk mengurangi efek tersebut. Langkah perbaikan yang dapat dilakukan adalah dengan menghindari tekukan pada down conductor, serta menggunakan konduktor pipih disbanding konduktor stranded.

Resistansi pada system pentanahan berperan saat proses penyerapan residu energi surja dan residu petir ke tanah. Nilai resistansi yang rendah dapat meminimalisir besarnya tegangan Langkah pada area sekitar tower dan impuls dapat dibuang dengan baik. Untuk mendapaktan nilai resistansi yang rendah dapat menggunkana  driven rod yang Panjang (>= 3m) atau dengan memparallel beberapa driven rod. Selain itu penggunaan semen konduktif juga dapat berpengaruh.

Resistansi impuls grounding

Ketika petir menyambar ground wire atau body tower, arus mengalir melalui struktur tower dan kemudian dialiri ke bumi melalui sistem grounding. Saat arus petir mengair di sistem grounding, medan elektromagnetik dibangkitkan pada elektroda di dalam tanah dan membuat area ionisasi tanah di sekitar elektroda. Ketika proses tersebut terjadi, resistansi grounding akan berubah relatif terhadap waktu transient impuls. Resistansi transient dari elektroda diwakili melalui persamaan berikut:

Dimana i(t) dan u(t) adalah arus dan tegangan yang nilainya kontinu relatif terhadap arus transient. Ketika frekuensi awal petir yang tinggi mengalir melalui elektroda, induktansi akan meningkat sehingga resistansi juga meningkat. Efek dari induktif ini ditentukan dari magnitude arus yang mengalir. Ketika arus meningkat dan mengionisasi tanah di sekitar elektroda, terjadilah ionisasi pada tanah dan resistansi menurun secara drastis.

Panjang efektif impuls

Ketika arus impuls mengalir ke grounding, impendansi induktif dari konduktor grounding sangat besar dikarenakan frekuensi yang sangat tingg, yang mana menahan arus untuk mengalir ke titik ujung elektroda.. Kita tau kalau arus pada frekuensi jala akan mengalir merata pada elektroda, tapi kondisi tersebut akan berbeda pada arus frekuensi impuls. Ketika arus impuls mengalir di grounding, bagian yang terdekat dengan titik sumber akan menerima arus yang lebih banyak untuk mengalir ke bumi dibandingkan pada bagian ujung elektroda. Sehingga distribusi arusnya tidak merata.

Seperti yang sudah kita bahas di atas, impedansi impuls bisa sangat besar dibanding resistansi grounding pada frekuensi jala. Meskipun kita bisa membuat resistansi grounding yang sangat kecil, belum menjamin performa proteksi petir pada saluran transmisi bekerja dengan baik. Alasannya adalah karena elektroda memiliki \”panjang efektif\”.

Efek induktif dari konduktor grounding sangat berpengaruh pada arus impuls frekuensi tinggi. Induktansi menyebabkan drop tegangan yang sangat terasa disepanjang grounding elektroda. Jika elektroda grounding sangat panjang, arus yang mengalir pada bagian ujun elektroda sangat kecil. Sehingga jika arus terlalu kecil kama medan listrik pada bagian ujung elektroda tidak cukup kuat untuk menyebabkan ionisasi tanah. Sehingga pada elektroda yang panjang, bagian yang mendekati permukaan tanah saja yang efektif membantu disipasi arus ke tanah. Sehingga elektroda memilii panjang efektif saat dialiri arus impuls. Semakin pendek elektroda maka efek induktif juga semakin berkurang. Jika panjang dari elektroda sangat pendek, arus yang mengalir akan cendrung merata disepanjang elektroda sehingga area tanah yang terionisasi akan hampir sama.

Pemilihan material untuk grounding

Berikut ini sedikit saya jabarkan tentang material yang biasa digunakan sebagai bahan grounding”

Tembaga

Bare copper merupakan material grounding yan paling umum digunakan. Disamping konduktifitas yang tinggi, tembaga tahan terhadap korosi untuk penggunaan didalam tanah. Masalahnya penggunaan tembaga sangat raawan terhadap pencurian karena harganya yang tinggi dipasaran. Jadi konduktifitas tinggi ngga ada artinya kalau sehari setelah dipasang langsung hilang dimaling.

Aluminum

Material aluminum jarang sebenarnya digunakan untuk grounding. Alasannya karena aluminum memiliki beberapa kelemahan sebagai material grounding yaitu di kondisi tanah tertentu, aluminum sangat mungkin terdampak korosi. Aluminum yang korosi akan menghasilkan lapisan yang tidak konduktif.

Baja (steel)

Baja sangat umum digunakan untuk material grounding meskipun memiliki konduktifitas yang lebih rendah dibandingkan tembaga dan aluminum. Untuk menghindari efek akibat korosi, biasanya digunakan baja yang sudah di-galvanizing

Up next!

Demikian pembahasan singkat tentang grounding untuk proteksi sambaran petir. Selanjutnya saya coba sharing terkait metode dalam mendesain grounding untuk proteksi petir atau bahas materi tentang grounding lainnya. Menurut saya menarik kalau membahas hal terkait grounding karena sejauh ini pemahaman tentang grounding pada umumnya sebatas besi yang ditanam di dalam tanah. Selebihnya cuma berharap kalau grounding tersebut bekerja dengan baik tanpa tau bagaimana cara kerja grounding secara mendetail.

Barangkali ada kesalahan atau item yang meragukan dari penjabaran di atas, just let me know. Semoga bermanfaat.