7. Bentuk-Bentuk Elektroda Pentanahan

7.1 Pentanahan Rod (Elektroda Batang )

Di bawah ini diperlihatkan disribusi tegangan yang terjadi untuk satu batang elektroda dan dua batang elektroda yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah, dimana arus kesalahan mengalir dari elektroda tersebut ke tanah sekitarnya. 
 

dimana Ux : teagangan elektroda pentanahan atau tegangan antara elektroda dengan tanah 
  x : jarak dari elektroda  

Dengan demikian untuk jumlah elektroda yang lebih banyak yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah maka tahanan pentanahan semakin kecil dan distribusi tegangan akan lebih merata. 

7.1.1 Satu batang elektroda yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah

Dari suatu konduktor terdapat hubungan antara tahanan dan kapasitansi sebesar : 

R = r / 2pC   (11) 
dimana : 

R : tahanan (Ohm) 
p : tahanan jenis tanah tiap lapisan (Ohm-m) 
C : kapasitansi (statt Farad)
Kapasitansi ini termasuk kapasitansi dari bayangan konduktor yang ditanam ke dalam tanah. Pada gambar-3 satu batang elektroda berbentuk selinder dengan panjang L yang ditanam tegak lurus permukaan tanah berdiameter 2a, dengan bayangan di atas permukaan tanah. Untuk menghitung kapasitansi elektroda pentanahan dan bayangan, digunakan metode potensial rata rata menurut G.W.O Home. Dalam persoalan pentanahan, elektroda pentanahan merupakan bahan penghantar yang membawa muatan listrik yang terdistribusi (menyebar) disekeliling elektroda pentanahan. Dengan cara seperti ini potensial di setiap tempat pada permukaan elektroda akan sama. Bila pada elektroda tersebut diberikan suatu muatan yang merata, maka kapasitansi dapat dihitung dengan metode potensial rata rata. Hasil yang didapatkan untuk satu batang elektroda berbentuk selinder yang ditanam seluruhnya di dalam tanah dinyatakan dengan persamaan : 

(12) 
 


  Maka tahanan dari satu batang elektroda yang ditanam tegak lurus permukaan tanah menurut H.B Dwight, di dapat dengan mensustitusikan persamaan (12) ke dalam persamaan (11) sehingga diperoleh persamaan untuk gambar (3.a) sbb: 

(13) 

Untuk elektroda batang yang ditanam tegak lurus dan pada kedalaman beberapa cm di bawah permukaan tanah (gambar 3.b) berlaku hubungan: 

(14) 

Untuk gambar (3.c) satu batang elektroda tegak lurus kedalam tanah, dan menembus lapisan kedua tanah tersebut. Hal ini berlaku persamaan : 

(14-a) 

Untuk gambar (3.d) satu batang elektroda tegak lurus kedalam tanah, pada kedalaman beberapa cm di bawah permukaan tanah dan menembus lapisan kedua tanah tersebut. Hal ini berlaku persamaan : 

(14-b) 

 
 

dimana : 

R_d1 : tahanan untuk satu batang elektroda yang ditanam tegak lurus permukaan tanah (Ohm) 
L : panjang elektroda batang (meter) 
a : jari-jari batang elektroda (cm) 
r : tahanan jenis tanah rata-rata (Ohm-m) 
     (indeks 1 atau 2 menunjukkan lapisan tanah) 
h_b : kedalaman penanaman elektroda (meter)

7.1.2 Dua batang elektroda tegak lurus ke dalam tanah

Susunan dari dua batang elektroda berbentuk selinder dengan panjang L yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah dengan jarak antara ke dua elektroda tersebut sebesar S terlihat pada gambar di bawah. Nilai tahanan pentanahan dan tahanan jenis tanah yang relatif tinggi, maka untuk menguranginya dengan cara menanamkan batang-batang elektroda pentanahan dalam jumlah yang cukup banyak. Untuk dua batang elektroda pentanahan yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah oleh Dwight, JL. Marshall dengan memperhatikan efek bayangan biasanya adalah dengan menghitung tegangan pada salah satu batang elektroda yang disebabkan oleh distribusi muatan yang merata di batang elektroda itu sendiri dan pada batang elektroda yang lain termasuk bayangannya. Dengan menghitung tegangan rata-rata yang disebabkan oleh muatan batang elektroda itu sendiri dan menghitung tegangan rata-rata yang disebabkan oleh muatan batang elektroda yang lain. Tegangan total rata-rata diperoleh dengan menjumlahkan antara keduanya. 
 
 
  Rumus tahanan pentanahan untuk dua batang elektroda yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah adalah [13]: 

(15) 
untuk S > L 
(16) 
untuk S < L 
dimana :  S : jarak antara kedua elektroda (meter) 

7.1.3 Beberapa batang elektroda (Multiple-Rod) yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah

Jika susunan batang - batang elektroda yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah dalam jumlah yang lebih banyak, maka tahanan pentanahan akan semakin kecil dan distribusi tegangan pada permukaan tanah akan lebih merata. Penanaman elektroda yang tegak lurus ke dalam tanah dapat berbentuk bujur sangkar atau empat persegi panjang dengan jarak antara batang elektroda pentanahan adalah sama seperti pada dalam gambar berikut : 
 

Nilai tahanan pentanahan untuk beberapa batang elektroda yang ditanam tegak lurus ke dalam tanah di mana rod menembus lapisan tanah paling bawah/kedua, dihitung dengan mengikuti persamaan berikut: 

( ) 
(17) 

dimana R_t adalah tahanan elektroda batang (rod) 
(18) 
(19) 
(20) 
(21) 
(22) 
(24) 
 
(25) 

Keterangan : 

N : jumlah batang rod 
C_f (shafe factor = 0.9) 
R_a dan R_b (tahanan berdasarkan pososi elektroda ( gambar.5)) Analisa : 
Dimisalkan :  panjang tiap konduktor batang =3.5 meter 
diameter konduktor batang = 3/4 inch = 0.01905 meter 
Jari-jari batang konduktor =9.525x10^-3 meter 
tahanan jenis tanah rata-rata lapisan pertama =750 Ohm-m 
tahanan jenis tanah rata-rata lapisan kedua =550 Ohm-m 
Ketebalan lapisan tanah bagian atas h = 3.8 meter 
Kedalaman penanaman elektroda h_b = 0.5 meter 1). Berdasarkan gambar (3-a) dengan mengacu pada persamaan (13) diperoleh :  R_d1 = 214.7256  W 2). Beradasrkan gambar (3-b) dengan mengacu pada persamaan (14) diperoleh :  R_d1 = 191.0741  W 3). Berdasarkan gambar (3-c) dengan mengacu pada persamaan (14-a) diperoleh :  R_d1 = 157.4655  W 4). Berdasarkan gambar (3-d) dengan mengacu pada persamaan (14-b) diperoleh :  R_d1 = 196,6387  W 5). Berdasarkan gambar (4) dengan mengacu pada persamaan (15) dimana S > L  untuk S = 4 meter R_d2 = 121.9813 W 
untuk S = 5 meter R_d2 = 118.5008 W Berdasarkan gambar (4) dengan mengacu pada persamaan (16) dimana S < L  untuk S = 3 meter R_d2 = 123.1448 W 
untuk S = 2.5 meter R_d2 = 125.3299 W 6). Pentanahan dengan Multiple - rod sesuai dengan persamaan (17 - 22) maka : 
  N=40   
 

Dengan cara yang sama diperoleh sbb:  untuk N = 20 R_t = 30.6359 W 
untuk N = 10 R_t = 61.0867 W 
untuk N = 5 R_t = 122.0373 W

Kesimpulan

• Bila struktur tanah dianggap homogen

• Tahanan elektroda pentanahan untuk satu batang rod akan semakin kecil bila elektroda tersebut ditanam semakin jauh dari permukaan tanah
• Untuk dua batang elektroda, bila jarak antara keduanya menjadi lebih besar dari panjang elektroda nilai tahanan pentanahan akan semakin kecil.
• Bila jarak antara kedua elektroda menjadi semakin kecil dibandingkan dengan panjang elektroda diperoleh tahanannya semakin besar.

• Dengan menganggap struktur tanah tidak homogen untuk satu batang elektroda diperoleh tanahan pentanahan yang lebih kecil dibandingkan dengan tanah homogen
• Bilamana jumlah elektroda semakin banyak, tahanan pentanahannya semakin kecil, baik pada tanah homogen maupun tidak homogen

Sumber Bacaan

• Baldev Thapar, Victor Gerez and Prince Emmanuel [1993], "Ground Resistance Of The Foot In Substation Yards", IEEE Transaction on Power Delivery, Vol.8 No.1, pp.1-6
• Baldev Thapar, Victor Gerez and Vijay Singh [1993], "Effective Ground Resistance Of The Human Feet In High Voltage Switchyards", IEEE Transaction on Power Delivery, Vol.8 No.1, pp. 7 - 12
• Baldev Thapar, Victor Gerez [1996], "Equivalent Resistivity Of Non-uniform Soil For Grounding Grid Design", IEEE Transaction on Power Delivery, Vol.10 No.2, pp.759-767
• J.Lazzara, N.Barbeito [1990], "Simplified Two Layer Model Substation Grounding Grid Design Methodology", IEEE Transaction on Power Delivery, Vol.5, No.4, pp.1741-1750
• J.M. Nahman, V.B. Djordjevic [1996], "Resistance To Ground of Combined Grid-Multiple Rods Electrodes", IEEE Transaction on Power Delivery, Vol. 11, No. 3, pp.1337 - 1342
• T.S Hutauruk [1991], "Pengetanahan Netral Sistem tenaga & Pengetanahan Peralatan" , Benerbit Erlangga Jakarta.
• Y.L. Chow, J.J. Yang, and K.D Srivastava [1995], "Grounding Resistance Of Buried Electrodes in Multi-Layer Earth Predicted by Simple Voltage Measurements along Earth Surface-A Theoritical Discussion", IEEE Transaction on Power Delivery, Vol.10, No.2, pp.707 - 715.
• Y.L Chow, M.M.A Salama [1994], "A Simplified Method for Calculating The Substation Grounding Grid Resistance", IEEE Transaction on Power Delivery, Vol. 9 No.2 pp.736 - 742.
• Y.L. Chow, M.M Elsherbiny, M.M.A Salama [1996], "Resistance Formula of Grounding System in Two-Layer Earth", IEEE Transaction on Power Delivery, Vol.11, No. 3, pp. 1330 - 1336

Artikel lain: 

• Prospek Energi Panas Bumi di Indonesia 
• Penyebab Kebakaran Karena Listrik