BAHAYA – BAHAYA YANG TIMBUL PADA GARDU INDUK PADA KEADAAN GANGGUAN TANAH

Pendahuluan

Secara umum bahaya – bahaya yang mungkin ditimbulkan oleh

tegangan/arus listrik terhadap manusia mulai dari yang ringan sampai yang paling

berat, yaitu : terkejut, pingsan, atau mati. Ringan atau berat bahaya yang timbul

tergantung dari faktor – faktor berikut : tegangan dan kondisi orang terhadap

tegangan tersebut, besarnya arus yang melewati tubuh manusia, jenis arus, searah

atau bolak – balik dan lamanya waktu gangguan.

Pada gardu induk kemungkinan terjadinya bahaya terutama disebabkan

oleh timbulnya gangguan yang menyebabkan arus mengalir ke tanah. Arus

gangguan ini akan mengalir pada bagian – bagian peralatan yang terbuat dari

metal dan juga mengalir dalam tanah di sekitar gardu induk. Arus gangguan

tersebut menimbulkan gradien tegangan diantara peralatan dengan peralatan,

peralatan dengan tanah, dan juga gradien tegangan pada permukaan tanah itu

sendiri.

Jenis-jenis Gangguan Tanah

Banyak jenis gangguan tanah yang berbeda yang dapat terjadi dalam

sistem. Kadang – kadang sulit untuk menentukan lokasi dan jenis gangguan yang

akan menghasilkan aliran arus terbesar antara grid pembumian dan tanah

sekitarnya. Gambar berikut memperlihatkan arus grid maksimum IG untuk

berbagai lokasi gangguan dan konfigurasi sistem.

Gambar 2.1.Gangguan dalam gardu induk, pembumian netral lokal

Gambar 2.2.Gangguan dalam gardu induk, netral dibumikan pada lokasi yang jauh

Gambar 2.3. Gangguan dalam gardu induk, sistem dibumikan pada gardu induk dan juga pada titik yang lain

Dalam menentukan jenis gangguan, pertimbangan utama adalah

kemungkinan terjadinya suatu jenis gangguan tanah. Untuk alasan praktis,

direkomendasikan untuk membatasi hanya gangguan satu fasa – tanah dan dua

fasa – tanah.

Untuk gangguan dua fasa – tanah, arus gangguan urutan nol adalah :

I0 =

E .(R2+ jX 2 )(R1+ jX 1) .[R0+R1+3R f + j (X 0+X 2) ]+(R2+ jX 2 ).(R0+3 Rf + jX 0 )

(2.1)

di mana:

I0 = nilai rms simetris dari arus gangguan urutan nol (A)

E = tegangan phasa ke netral (V)

Rf = tahanan gangguan (Ω)

R1 = urutan positip dari tahanan sistem ekivalen (Ω)

R2 = urutan negatip dari tahanan sistem ekivalen (Ω)

R3 = urutan nol dari tahanan sistem ekivalen (Ω

X1 = urutan positip dari reaktansi sistem ekivalen (Ω)

X2 = urutan negatip dari reaktansi sistem ekivalen (Ω)

X3 = urutan nol dari reaktansi sistem ekivalen (Ω)

Untuk gangguan satu fasa – tanah, arus gangguan urutan nol adalah :

I0=

E2

3R f +R1+R2+R0+ j(X1+X2+X0 ) (2.2)

Dalam banyak kasus, pengaruh tahanan dapat diabaikan. Untuk tujuan

praktis, Persamaan (2.3) dan (2.4) yang disederhanakan berikut ini memberikan

hasil cukup teliti dan baik.

- Arus urutan nol untuk gangguan dua fasa – tanah :

I0=

E . X2

X1 .(X0+X2) .(X0+X2 ) (2.3)

- Arus urutan nol untuk gangguan satu fasa – tanah :

I0=

EX+X2+X0 (2.4)

II.3 Macam – Macam Tegangan

Sulit untuk menentukan secara tepat mengenai perhitungan tegangan yang

mungkin timbul akaibat gangguan ke tanah terhadap orang yang sedang berada di

dalam atau di sekitar gardu induk. Banyak faktor – faktor yang mempengaruhi

dan tidak diketahui. Untuk menganalisis keadaan ini, diambil beberapa

pendekatan sesuai dengan kondisi orang yang sedang berada di dalam atau di

sekitar gardu induk tersebut pada saat terjadi gangguan ke tanah. Pada hakekatnya

perbedaan tegangan selama mengalirnya arus gangguan tanah dapat digambarkan

sebagai : tegangan sentuh, tegangan langkah, dan tegangan pindah.

II.3.1 Tegangan Sentuh

Tegangan sentuh adalah tegangan yang terdapat di antara suatu obyek

yang disentuh dan suatu titik yang berjarak satu (1) meter, dengan asumsi bahwa

obyek yang disentuh dihubungkan dengan grid pembumian yang berada di

bawahnya. Besar arus gangguan dibatasi oleh tahanan orang dan tahanan kontak

ke tanah dari kaki orang tersebut. Gambar 2.4. memperlihatkan tegangan sentuh

dan rangkaian ekivalennya.

Gambar 2.4. Tegangan sentuh dengan rangkaian ekivalennya

Dari rangkaian ekivalen dapat dibuat hubungan sebagai berikut :

Es=(Rk+ Rf/2)Ik (2.5)

di mana : Es = tegangan sentuh, (volt)

Rk = tahanan badan orang (= 1000 Ω)

Rf = tahanan kontak ke tanah dari satu kaki pada tanah yang diberi

lapisan koral (Ohm)

Ik = besar arus yang mengalir melalui badan (ampere)

Tahanan badan orang sudah diselidiki oleh beberapa ahli dan sebagai

harga pendekatan diambil Rk = 1000 Ω. Tahanan Rf tergantung pada tahanan jenis

tanah di sekitar permukaan dan ketebalan lapisan batu koral. Arus Ik dinyatakan

dengan Ik = 0,116√ t , dengan t menyatakan lama gangguan. Dengan demikian

tegangan sentuh dinyatakan dengan :

Es = (1000 + 0,5 Rf) 0,116√ t (2.6)

II.3.2 Tegangan Langkah

Tegangan langkah adalah tegangan yang timbul di antara dua kaki orang

yang sedang berdiri di atas tanah yang sedang dialiri oleh arus ganggua ke tanah.

Untuk lebih jelas dapat dilihat dalam Gambar 2.5 berikut.

Gambar 2.5. Tegangan langkah dekat peralatan yang dibumikan

Dalam hal ini dimisalkan jarak antara kedua kaki orang adalah satu (1) meter.

Dengan menggunakan rangkaian pengganti (ekivalen) dapat ditentukan tegangan

langkah sebagai berikut :

El = (Rk + 2Rf)Ik= (1000 + 2Rf) 0,116√ t (2.7)

dimana : El = tegangan langkah, (volt)

Rk = tahanan badan orang, (= 1000 Ω)

Rf = tahanan kontak ke tanah dari satu kaki (Ohm)

t = waktu kejut atau lamanya gangguan tanah (detik)

II.3.3. Tegangan Pindah.

Tegangan pindah adalah hal khusus dari tegangan sentuh, dimana

tegangan ini terjadi bila pada saat terjadi gangguan orang berdiri di dalam gardu

induk, dan menyentuh suatu peralatan yang diketanahkan pada titik jauh

sedangkan alat tersebut dialiri oleh arus gangguan ke tanah.

Gambar 2.6. Tegangan pindah dan rangkaian pengganti

Dari Gambar 2.6 terlihat bahwa orang akan merasakan tegangan yang

lebih besar bila dibandingkan dengan tegangan sentuh seperti Gambar 2.4.

Tegangan pindah akan sama dengan tegangan pada tahanan kontak pengetanahan

total. Tegangan pindah itu sulit untuk dibatasi, tetapi biasanya konduktor –

konduktor telanjang yang terjangkau oleh tangan manusia sudah diisolasi. Dari

Gambar 2.6 diperoleh :

Epindah = IR0, dengan anggapan Ik « I, sebab

R f2 + Rk » R0

dimana : R0 =

ρ4 r +

ρL (2.8)

dengan : r = jari – jari ekivalen dari luas gardu induk (m),

L = panjang total konduktor grid dan batang pembumian (m).

Untuk waktu tertentu dari arus gangguan, dalam detik, tegangan pindah yang

diizinkan adalah sama dengan tegangan sentuh.

II.4. Arus Melalui Tubuh Manusia.

Kemampuan tubuh manusia terbatas terhadap besarnya arus yang mengalir

di dalamnya. Tetapi berapa besar dan lamanya yang masih dapat ditahan oleh

tubuh manusia sampai batas yang belum membahayakan sukar ditetapkan. Dalam

hal ini sudah banyak diselidiki oleh para ahli dengan berbagai macam percobaan

baik dengan tubuh manusia sendiri maupun menggunakan binatang tertentu.

Dalam batas – batas tertentu dimana besarnya arus belum berbahaya terhadap

organ tubuh manusia sudah dilakukan berbagai percobaan terhadap beberapa

sukarelawan yang menghasilkan batas – batas besarnya arus dan pengaruhnya

terhadap manusia yang berbadan sehat. Batas – batas arus tersebut dibagi sebagai

berikut :

1. Arus mula terasa atau persepsi (perception current),

2. Arus mempengaruhi otot (let – go current),

3. Arus mengakibatkan pingsan atau mati atau arus fibrilasi (fibrillating

current),

4. Arus reaksi ( reaction current).

II.4.1 Arus Persepsi

Bila orang memegang penghantar yang diberi tegangan mulai dari harga

nol dan dinaikkan sedikit demi sedikit, arus listrik yang melalui tubuh orang

tersebut akan memberi pengaruh. Mula – mula akan merangsang saraf sehingga

akan terasa suatu getaran yang tidak berbahaya, bila dengan arus bolak – balik.

Tetapi bila dengan arus searah akan terasa sedikit panas pada telapak tangan.

Pada Electrical Testing Laboratory New York tahun 1933 sudah dilakukan

pengujian terhadap 40 orang laki – laki dan perempuan, dan didapat arus rata –

rata yang disebut threshold of perception current sebagai berikut :

- Untuk laki – laki : 1,1 mA

- Untuk perempuan : 0,7 mA

II.4.2 Arus Mempengaruhi Otot

Bila tegangan yang menyebabkan terjadinya tingkat arus persepsi

dinaikkan lagi, maka orang akan merasa sakit dan kalau terus dinaikkan lagi maka

otot – otot akan kaku sehingga orang tersebut tidak berdaya lagi untuk

melepaskan konduktor yang dipegangnya itu.

Di University of California Medical School sudah dilakukan penyelidikan

terhadap 134 orang laki – laki dan 28 orang perempuan dan diperoleh angka rata –

rata dari arus yang mempengaruhi otot sebagai berikut :

- Untuk laki – laki : 16 mA

- Untuk perempuam : 10,5 mA

Berdasarkan penyelidikan ini sudah ditetapkan batas arus maksimal

dimana orang masih dapat dengan segera melepaskan konduktor bila terkena arus

listrik sebagai berikut :

- Untuk laki – laki : 9 mA

- Untuk perempuan : 6 mA

II.4.3 Arus Fibrilasi

Apabila arus yang melewati tubuh manusia lebih besar dari arus yang

mempengaruhi otot dapat mengakibatkan orang menjadi pingsan bahkan sampai

mati. Hal ini disebabkan arus listrik tersebut mempengharuhi jantung yang disebut

ventricular fibrillation yang menyebabkan jantung berhenti bekerja dan peredaran

darah tidak jalan sehingga orang akan segera mati. Untuk menyelidiki keadaan ini,

tidak mungkin dilakukan terhadap manusia. Untuk mendapatkan nilai pendekatan,

suatu percobaan sudah dlakukan pada University of California oleh Dalziel pada

tahun 1968 dengan menggunakan binatang yang mempunyai badan dan jantung

yang kira – kira sama dengan manusia. Dari percobaan tersebut, Dalziel menarik

kesimpulan bahwa 99,5 % dari semua orang yang beratnya lebih kurang 50 kg

masih dapat bertahan terhadap besar arus dan waktu yang ditentukan oleh

persamaan berikut :

Ik2 t = K atau Ik =

k√t

dimana : k = √K

K = 0,0135 untuk manusia dengan berat 50 kg

= 0,0246 untuk manusia dengan berat 70 kg

diperoleh : k50 = 0,116 ampere

k70 = 0,157 ampere

dan : Ik2 t = 0,0135 untuk berat badan 50 kg

atau : Ik =

0 ,116√t untuk berat 50 kg (2.9)

Ik =

0 ,157√ t untuk berat 70 kg (2.10)

dimana : Ik = besarnya arus lewat tubuh manusia (ampere)

t = waktu arus lewat tubuh manusia atau lama gangguan tanah (detik).

II.4.4 Arus Reaksi

Arus reaksi adalah arus terkecil yang dapat mengakibatkan orang menjadi

terkejut. Hal ini cukup berbahaya karena dapat mengakibatkan kecelakaan

sampingan. Karena terkejut orang dapat jatuh dari tangga, melemparkan peralatan

yang sedang dipegang yang dapat mengenai bagian – bagian instalasi bertegangan

tinggi sehingga terjadi kecelakaan yang lebih fatal.

Penyelidikan yang lebih terperinci sudah dikemukakan oleh DR. Hans

Prinz, dimana batasan – batasan arus tersebut disusun menurut Tabel 2.1.berikut.

Tabel 2.1. Batasan – batasan arus dan pengaruhnya pada manusia

Besar Arus Pengaruh Pada Tubuh Manusia

0 – 0,9 mA

0,9 – 1,2 mA

1,2 – 1,6 mA

1,6 – 4,0 mA

6,0 – 8,0 mA

13 – 15 mA

15 – 20 mA

20 – 50 mA

50 – 100 mA

Belum dirasakan pengaruhnya, tidak menimbulkan reaksi apa – apa

Baru terasa adanya arus listrik, tetapi tidak menimbulkan akibat kejang,

kontraksi atau kehilangan kontrol

Mulai terasa seakan – akan ada yang merayap di dalam tangan

Tangan sampai ke siku merasa kesemutan

Tangan mulai kaku, rasa kesemutan semakin bertambah

Rasa sakit tidak tertahankan, penghantar masih dapat melepaskan dengan

gaya yang besar sekali

Otot tidak sanggup lagi melepaskan penghantar

Dapat mengakibatkan kerusakan pada tubuh manusia

Batas arus yang dapat menyebabkan kematian

II.5 Tahanan Tubuh Manusia

Tahanan tubuh manusia berkisar antara 500 Ω sampai 100.000 Ω

tergantung dari tegangan, keadaan kulit pada tempat kontak dan jalannya arus

dalam tubuh. Kulit yang terdiri dari lapisan tanduk mempunyai tahanan yang

tinggi, tetapi terhadap tegangan tinggi kulit yang menyentuh konduktor langsung

terbakar. Jadi tahanan kulit ini tidak berarti apa – apa, hanya tahanan tubuh yang

dapat membatasi arus.

Penyelidikan dan penelitian tahanan tubuh manusia yang diperoleh

beberapa orang ahli diperlihatkan dalam Tabel 2.2 berikut.

Tabel 2.2. Berbagai harga tahanan tubuh manusia

Peneliti Tahanan (ohm) KeteranganDalziel 500 dengan tegangan 60 HzAIEE Committee Report 1958 2330

1130 1680 800

dengan tegangan 21 volt tangan ke tangan Ik = 9 mAtangan ke kakitangan ke tangan dengan arus searahtangan ke kaki dengan 50 Hz

Laurent 3000

Berdasarkan hasil penyelidikan di atas, sebagai pendekatan diambil harga tahanan

tubuh manusia sebesar 1000 Ω.

II.6 Efek Lapisan Material Permukaan

Untuk keperluan analisis rangkaian, kaki orang biasanya dinyatakan

sebagai suatu kepingan logam dan tahanan kontak dari sepatu, kaos kaki dan lain-

lain diabaikan. Tahanan pembumian dalam ohm dari suatu kepingan logam

dengan jari – jari b meter pada permukaan tanah homogen yang mempunyai

tahanan jenis ρs (Ω-m) dinyatakan oleh Laurent dalam persamaan

Rf =

ρ4b (2.11)

Secara umum kepingan logam yang menggambarkan kaki orang

merupakan suatu pelat bundar dengan jari-jari 0,08 m. Dengan demikian

Persamaan (2.11) dapat dinyatakan dalam ρs sebagai Rf = 3 ρs.

Persamaan (2.11) berdasarkan asumsi tahanan jenis tanah uniform

(seragam). Namun, seringkali suatu material dengan tahanan jenis tinggi,

misalnya batu koral dengan ketebalan 0,08 – 0,15 m disebarkan pada permukaan

tanah di atas grid pembumian untuk memperbesar tahanan kontak antara tanah

dan kaki orang dalam gardu induk.

Dengan memperhitungkan material permukaan, tahanan kontak ke tanah

dihitung sebagai berikut :

Rf = [ρs4b ]Cs = 3ρsCs (2.12)

Cs = 1 +

16bρs

∑n=1

∞

K nRm (2 nhs) (2.13)

K =

ρ−ρ sρ+ρ s (2.14)

di mana :

Cs = faktor koreksi lapisan permukaan,

K = faktor refleksi antara tahanan jenis material yang berbeda,

ρs = tahanan jenis material permukaan, (Ω-m),

ρ = tahanan jenis tanah di bawah permukaan material, (Ω-m),

hs = ketebalan material permukaan, (m),

b = jari – jari lingkaran kepingan logam yang menggambarkan kaki

orang (m),

Rm(2nhs) = tahanan tanah bersama antara dua yang pelat yang sama, paralel, dan

koaksial, terpisah dengan jarak (2nhs) dalam suatu medium tidak

berhingga dengan tahanan jenis ρs,(Ω-m).

Dengan membandingkan Persamaan (2.11) dan (2.12), Cs dapat dianggap

sebagai faktor koreksi untuk menghitung tahanan kaki efektif dengan adanya

ketebalan terbatas dari material permukaan. Grafik Cs fungsi hs yang dihitung

untuk b = 0,08 meter diperlihatkan dalam Gambar 2.4.

Gambar 2.7. Grafik Cs Fungsi hs.

Suatu persamaan empiris untuk menghitung harga Cs dengan penyimpangan 5 %

dari harga yang dihitung dengan metode analitik diberikan oleh persamaan

berikut:

Cs = 1 -

0 ,09(1− ρρ s )

2hs+0 ,09 (2.15)

II.7 Kriteria Tegangan Langkah Dan Tegangan Sentuh Yang Diizinkan

Keamanan seorang manusia tergantung pada pencegahan jumlah kritis

energi kejut yang diserap sebelum gangguan diputus dan sistem di de-energized.

Tegangan maksimum dari rangkaian terganggu (accidental circuit) tidak boleh

melewati batas yang diizinkan sebagai berikut.Untuk tegangan langkah, kriteria

atau batas adalah :

El = (Rk + 2Rf)Ik (2.16)

Untuk berat badan 50 kg:

El50 = (1000 + 6Csρs)

0 ,116√ t s (2.17)

Untuk berat badan 70 kg:

El70 = (1000 + 6Csρs)

0 ,157√t s (2.18)

Untuk tegangan sentuh, kriteria atau batas adalah :

Es = (Rk +

R f2 )Ik (2.19)

Untuk berat badan 50 kg:

Es50 = (1000 + 1,5Csρs)

0 ,116√ t s (2.20)

Untuk berat badan 70 kg:

Es50 = (1000 + 1,5Csρs)

0 ,157√t s (2.21)

Jika tidak ada pengaman lapisan permukaan digunakan, Cs = 1 dan ρs = ρ.

Batas tegangan sentuh logam ke logam dijabarkan dari persamaan

tegangan sentuh, Persamaan (2.16) dan Persamaan (2.17). Kontak logam ke

logam, tangan ke tangan, dan tangan ke kaki akan menghasilkan ρs = 0. Oleh

karena itu, tahanan total rangkaian terganggu (accidental circuit) sama dengan

tahanan tubuh manusia Rk. Dengan subtitusi ρs = 0 dalam bentuk tahanan kontak

ke tanah di Persamaan (2.16) dan (2.17), batas tegangan sentuh logam ke logam

untuk berat badan 50 kg dan 70 kg adalah :

Emms50 =

116√t s (2.22)

Dan Emms70 =

157√t s (2.23)

dengan Emm menyatakan tegangan sentuh logam ke logam.

Tegangan langkah, tegangan sentuh, atau tegangan sentuh logam ke logam

sebenarnya seharusnya lebih kecil dari batas tegangan yang diizinkan maksimum

untuk menjamin keamanan.