## Jambura Journal of Electrical and Electronics Engineering

## Rancangan Sistem Pentanahan Gardu Induk Berdasarkan Variasi Luas Area dan Jumlah Elektroda

## Design Of A Main Substation Grounding System Based On Variations In Area and Number Of Electrodes
Joel Panjaitan * Program Studi Teknik Elektro Akademi Teknik Deli Sedang Medan, Sumatera Utara joel.pandjaitan@gmail.com
Ayu Fitriani
Program Studi Teknik Elektro Universitas Tjut Nyak Dhien Medan, Sumatera Utara ayufitriani2796@gmail.com
Jhoni Hidayat
Program Studi Teknik Elektro
Universitas Tjut Nyak Dhien Medan, Sumatera Utara hidayat.jhoni@gmail.com
Muhammad Muchlisin Program Studi Teknik Elektro Universitas Tjut Nyak Dhien Medan, Sumatera Utara
moh.muchlisiin@gmail.com Arnold Pakpahan Program Studi Teknik Elektro Akademi Teknik Deli Serdang Medan, Sumatera Utara arnoldpakpahan@gmail.com
Regina Sirait
Program Studi Teknik Elektro Politeknik Negeri Medan Medan, Sumatera Utara reginasirait@gmail.com Diterima : Mei 2024 Disetujui : Juli 2024 Dipublikasi
: Juli 2024
Abstrak- Fungsi sistem pentanahan yaitu membatasi tegangan yang timbul  antara  peralatan  dengan  tanah  dan  menetralkan  tegangan yang  timbul  pada  permukaan  tanah  akibat  arus  gangguan  yang mengalir  dalam  tanah.  Sistem  pentanahan  yang  tidak  aman  dapat mengganggu  kandalan  sistem  dan  keselamatan  manusia  di  area gardu  induk.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  menyimulasikan rancangan sistem pentanahan gardu induk dengan pengaruh variasi luas area dan jumlah elektroda yang dipasang secara grid maupun rod pada  kondisi  tanah  rawa  dengan  nilai  resistivitas  tanah  yang berbeda. Pengaruh dari parameter tersebut yaitu pada nilai tahanan, tegangan  sentuh  dan  tegangan  langkah  pada  berat  badan  70  kg dengan  mengggunakan  aplikasi    CYMGRD  sebagai  media  untuk melihat  efektifitas  dan  optimasi  apakah  sistem  pentanahan  gardu induk dengan variasi luar area dan variasi jumlah batang elektroda sudah  sesuai  persyaratan  dengan  tidak  melampaui  batasan  aman pada  sistem  ataupun  manusia.  Rancangan  sistem  pentanahan  ini dirancang  untuk  dua  kasus,yaitu    kasus  1:  nilai  tegangan  sentuh maksimun  dan  tegangan  langkah  maksimum  melebihi  daripada tegangan  sentuh  dan  tegangan  langkah  maksimum  yang  diizikan, sehingga kondisi seperti ini termasuk kedalam kriteria kurang aman dan dapat membahaya personil di lapangan. Kasus 2: nilai tegangan sentuh dan tegangan langkah lebih kecil dari nilai tegangan sentuh dan  tegangan  langkah  diizinkan,  sehingga  rancangan  ini  termasuk dalam kondisi aman dan memenuhi kriteria sistem pentanahan yang baik dan aman.
Kata  Kunci— Tegangan  Sentuh;  Tegangan  Langkah; CYMGRD
Abstract— The  function  of  the  grounding  system  is  to  limit  the voltage  between  equipment  and  the  ground  and  neutralize  the voltage  that  arises  at  the  ground  surface  due  to  fault  currents flowing  in  the  ground.  An unsafe  grounding  system  can  disrupt system  reliability  and  human  safety  in  the  substation  area.  This research  aims  to  simulate  the  design  of  a  substation  grounding
system with the influence of variations in location and number of electrodes  installed  in  grids  and  rods  in  swampy  soil  conditions with  different  soil  resistivity  values.  The  impact  of  these parameters  is  on  the  resistance  value,  touch  voltage,  and  step voltage at a weight of 70 kg by using the CYMGRD application as a medium to see the effectiveness and optimization of whether the substation  grounding  system  with  variations  in  the  outside  area and  variations  in  the  number  of  electrode  rods  meets  the requirements without exceeding safe limits on systems or humans. This  grounding  system  design is  designed  for  two  cases,  namely case  1:  the  maximum  touch  voltage  and  maximum  step  voltage values  exceed  the  permitted  touch  voltage  and  maximum  step voltage, so conditions like this are included in the criteria for being unsafe and can endanger personnel in the field. Case 2: the touch voltage  and  step  voltage  values  are  smaller  than  the  permitted touch voltage and step voltage values, so this design is included in safe  conditions  and  meets  the  criteria  for  a  good  and  safe grounding system.
Keywords—Touch Voltage; Step Voltage; CYMGRD

## I. P ENDAHULUAN
Terdapat  beberapa  standar  yang  digunakan  pada perencanaan  rancangan  sistem  pentanahan  gardu  induk, untuk mendapatkan perencanaan yang memenuhi keamanan dalam  mencegah  bahaya  terjadinya  gangguan,  salah  satu panduan yang digunakan yaitu mengacu pada Standar IEEE 80-2000 [1]. Konsep-konsep perancangan sistem pentanahan gardu induk yang mengacu pada Standar IEEE 80-2000 salah satunya  pada  tahanan  jenis  tanah,  luas  area  dan  jenis elektroda  yang  digunakan  sampai  langkah-langkah  dalam perancangan yang dijelaskan secara terperinci [2].
Sistem  pentanahan  pada  gardu  induk  bertujuan  untuk mendapatkan  nilai  resistansi  tanah  yang  sangat  kecil  atau kurang dari 5 Ω.  Sistem pentanahan yang umum digunakan untuk pentanahan gardu induk yaitu mengkombinasikan jenis elektroda  pentanahan  grid  dan  rod  yang  dipasang  secara vertikal atau horizontal [3]. Kombinasi jumlah elektroda grid dan rod tidak jauh dari jarak antar elektroda dan kedalaman penanaman  elektroda.  Hal  ini  berpengaruh  terhadap  nilai tahanan  pentanahan  yang  dihasilkan.  Adapun  pengaruh daripada nilai tahanan pentanahan yang timbul dari berbagai kondisi  jenis  tanah  berpengaruh  terhadap  nilai  tegangan sentuh (Em) dan tegangan langkah (Es) yang ditimbul [4].
Sistem pentanahan berfungsi membatasi tegangan yang timbul  diantara  peralatan  dengan  tanah  yang  timbul  pada permukaan tanah akibat arus gangguan yang mengalir dalam tanah.  Gangguan  yang  timbul  akibat  arus  gangguan  yang berlebih  mengakibatkan  munculnya  tegangan  sentuh  dan tegangan  langkah  yang  melebihi  batasan  keselamatan manusia yang diizinkan. Sistem pentanahan dipasang dengan menanamkan  batang  elektroda  untuk  membuang  arus gangguan lebih ke dalam tanah[5] . Beberapa  penelitian  terdahulu  telah  melakukan perencanaan  dan  pengevaluasian  sistem  pentanahan  pada gardu  induk  menggunakan  aplikasi  CYMGRD.  Penelitian yang dilakukan oleh Muhammad Suripto (2021) mengevaluasi  perencanaan  gardu  induk  dipengaruh  oleh ukuran konduktor terdahap nilai tahanan, kenaikan tegangan, tegangan  sentuh  dan  tegangan  langkah  [6].  Penelitian  lain dilakukan  oleh Md.  Abdul  Salam (2017)  Resistivitas  tanah dan Resistansi pentanahn pada tanah kering dan tanah basah dengan pengaruh jarak antar batang konduktor [7]. Penelitian lain  dilakukan Çağrı  Köksal (2015)  Analisis  sistem pentanahan  turbin  angin  pengaruhnya  terhadap  tegangan sentuh dan tegangan langkah [8] .
Penelitian  ini  difokuskan  pada  variasi  luas  area  dan jumlah elektroda pentanahan yang digunakan, dalam hal ini menggunakan  batang  elektroda Grid dan Rod .  Simulasi  ini menggunakan jenis tanah rawa dengan nilai resistivitas tanah yang divariasikan. Hasil simulasi ini akan melihat pengaruh terhadap  nilai  tahanan  pentanahan,  tegangan  sentuh  dan tegangan langkah pada manusia dengan berat badan 70 Kg. Penelitian dilakukan dengan menggunakan aplikasi CYMGRD untuk mengetahui efektifitas dan optimasi sistem pentanahan gardu induk dengan tidak melebihi batasan aman pada sistem atau manusia sehingga dapat disimpulkan bahwa perencanaan  perancangan  sistem  pentanahan  gardu  induk aman untuk diaplikasikan.
II. M ETODE P ENELITIAN Perencanaan perancangan sistem pentanahan disimulasikan  dengan  menggunakan  aplikasi  CYMGRD sesuai  dengan  standar  IEEE  80-2000,  dengan  parameter variasi  luas  area  pentanahan  dan  jumlah  elektroda  yang dipasang secara Grid dan Rod , hal ini berpengaruh terhadap nilai  resistansi,  tegangan  sentuh  dan  tegangan  langkah.  Hal ini dilakukan untuk mendapatkan optimasi hasil perancangan yang  aman  dan  baik,  dapat  ditunjukkan  dalam  diagram  alir penelitian di bawah ini:
Mulai
Parameter yang digunakan adalah luas area dan jumlah batang konduktor grid dan rod pada tanah rawa dan
tanah berbatu Simulasi sistem pentanahan grid gardu induk menggunakan software CYMGRD Kondisi Aman ? Nilai Resistansi Pentanahan, Tegangan Sentuh dan Tegangan Langkah Selesai Studi Literatur Perbaiki Nilai Parameter Tidak Ya
Gambar 1. Diagram alir penelitian
A. Sistem pentanahan grid Sistem pentanahan pada dasarnya adalah menanamkan batang konduktor pentanahan secara vertikal pada setiap titik, kemudian  menanamkan  konduktor  pentanahan  secara horizontal,  dan  akhimya  dikembangkan  kembali  dengan menggunakan  sistem  grid.  Sistem  grid  banyak  digunakan dalam  sistem  pentanahan  gardu  induk  karena  memiliki beberapa  keuntungan  dibandingkan  dengan  pentanahan lainnya. Kombinasi antara sistem pentanahan yang dipasang secara  grid  dan  rod  dapat  menghasilkan  nilai  resistansi pentanahan yang relatif lebih rendah, dapat pula dibuktikan dengan menggunakan persamanan dibawah ini [9][10][12]:
𝑅 𝑔 = 𝜌 [ 1 𝐿𝑇 + 1 √20𝐴 (1 + 1 1+ℎ√20 𝐴 ⁄ )] (1)
Keterangan: 𝑅 𝑔 merupakan  resistansi  pentanahan  (Ω), 𝜌 merupakan resistivity pentanahan (Ω.m), A merupakan  luar area  pentanahan  grid  (m 2 ),  dan h merupakan  kedalaman batang elektroda.
B. Tegangan sentuh dan Tegangan Langkah
Tegangan  sentuh  merupakan  tegangan  yang  terdapat diantara  suatu  objek  yang  disentuh  dengan  titik  sentuhan objek  yang  berjarak  1  meter,  dengan  asumsi  bahwa  objek yang  disentuh  dihubungkan  dengan  sistem  pengetanahan yang  berada  dibawahnya,  hal  tersebut  dapat  dilihat  pada Gambar 2.

## Gambar 2. Tegangan sentuh
Dengan  asumsi  jika  seorang  manusia  dengan  berat badan  50  Kg  dan  70  Kg  berada  diantara  satu  objek  dan menyentuh  objek  tersebut  makan  akan  muncul  tegangan sentuh dimana dapat dihitung sesuai dengan stnadar IEEE 80- 2013 dibawah ini [13][14][15]:
𝐸 𝑡50 = [1000 + 1,5𝜌 𝑠 𝐶 𝑠 ] 0,116 √𝑡 (2)
𝐸 𝑡70 = [1000 + 1,5𝜌 𝑠 𝐶 𝑠 ] 0,157 √𝑡 (3)
Tegangan  langkah  merupakan  beda  potensial  antara satu langkah kaki di atas permukaan tanah dan terdiri dari dua titik dengan jarak 1 meter, yang dialami oleh seseorang yang menghubungkan  kedua  titik  tersebut  dengan  kedua  kakinya tanpa  menyentuh  suatu  peralatan  apapun  seperti  yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini:
Gambar 3. Tegangan langkah
Dengan  asumsi  jika  seorang  manusia  dengan  berat badan 50 Kg dan 70 Kg berada dalam posisi satu langkah kaki melangkah  diatas  permukaan  tanah  maka  akan  muncul tegangan langkah akibat perbedaan potensial, dimana dapat dihitung sesuai dengan standar IEEE 80-2013 dibawah ini:
𝐸 𝑠50 = [1000 + 6𝜌 𝑠 𝐶 𝑠 ] 0,116 √𝑡 (4)
𝐸 𝑠70 = [1000 + 6𝜌 𝑠 𝐶 𝑠 ] 0,157 √𝑡
(5)
Nilai faktor reduksi dapat dihitung dengan parameter pada persamaan dibawah ini.
𝐶 𝑠 = 1 − 1− 𝜌 𝜌𝑠 2ℎ𝑠+0,09
(6)
Keterangan: 𝐶 𝑠 merupakan faktor reduksi nilai resistivitas, 𝜌 merupakan  tahanan  tanah  (Ω),  dan 𝜌 𝑠 merupakan  tahanan material permukaan tanah (Ω.m).

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN
Hasil  penelitian  berupa  simulasi  dengan  parameter variasi luas area dan jumlah elektroda yang dipasang secara grid  dan  rod.  Hasil  simulasi  ditampilkan  menggunakan aplikasi CYMGRD. Parameter simulasi berhubungan dengan kedalaman (h) = 0,8 m, elektroda grid sumbu x = 4 dan sumbu y = 4, diameter 2 mm, jumlah rod di masing – masing sudut = 4, panjang rod = 10 m dan nilai resistansi pentanahan dapat ditunjukkan dalam Tabel dibawah ini:
Tabel 1. Data nilai resitansi pentanahan pada kasus 1
Tanah Rawa Luas Area 10 x 10 m 2 Resistansi Pentanahan (Ω) Jarak Probe (m) Resistivitas Tanah (Ω.m) 0.5 4 1.273 1 6 0.954 2 8 0.636 3 10 0.530 4 12 0.477 5 16 0.509 6 18 0.477 7 20 0.454 8 25 0.497 9 30 0.530
Dengan menggunakan data diatas  untuk kasus 1 maka didapat kondisi tegangan sentuh dan tegangan langkah yang sudah  di  optimasikan  pada  berat  badan  70  Kg  dan  pada kondisi  tanah  rawa dengan  menggunakan  CYMGRD, ditunjukkan dalam gambar dibawah ini:
Gambar 4. Rancangan sistem pentanahan pada kasus 1
Kasus  1: diperoleh  kondisi  tegangan  sentuh  yang  sudah dioptimasikan  pada  kondisi  tanah  rawa  menggunakan CYMGRD untuk berat badan 70 kg.

## Gambar 5. Tegangan sentuh untuk berat badan 70 Kg
Gambar  5  nilai  tegangan  sentuh  maksimum  (2703,73 Volt), nilai ini lebih besar dari tegangan sentuh  maksimum yang  disyaratkan  (902,73  Volt)  pada  sistem  pentanahan gardu  induk.  Kondisi  ini  tidak  memenuhi  standar  yang disyaratkan dalam sistem pentanahan gardu induk. Di bawah ini  ditunjukkan  hasil  optimasi  dari  tegangan  langkah  yang muncul pada sistem pentanahan:

## Gambar 6. Tegangan langkah untuk berat badan 70 Kg
Gambar  6  menunjukkan  hasil  simulasi  tegangan langkah pada kasus 1 dengan nilai maksimum (423,08 Volt), Nilai  ini  lebih  kecil  dari  nilai  tegangan  langkah  maksimum yang disyaratkan (2944,81 Volt).  Desain pada kasus 1 harus diperbaiki untuk memastikan keselamatan pada sistem serta pada  makhluk  hidup  dengan  menambah  luas  area  gardu induk, tambahan batang elektroda grid dan rod . Untuk itu, sistem pentanahan yang dirancang yaitu pada tanah  rawa  dengan  Parameter  kedalaman  (h)  =  0,8  m, elektroda grid sumbu x = 8 dan sumbu y = 8, diameter 2 mm, jumlah rod di masing – masing sudut = 16, panjang rod = 10 m  dan  nilai resistansi pentanahan  dapat ditunjukkan dalam tabel dibawah ini:
Tabel 2. Data nilai resistansi pentanahan pada kasus 2
Tanah Rawa Luas Area 50 x 50 m 2 Resistansi pentanahan (Ω) Jarak Probe (m) Resistivitas Tanah (Ω.m) 0.5 4 1.591 1 6 0.636 2 8 0.530 3 10 0.477 4 12 0.509 5 16 0.477 6 18 0.454 7 20 0.497 8 25 0.530 9 30 0.636
Dengan  menggunakan  data  di  atas  diperoleh  kondisi tegangan  sentuh  dan  tegangan  langkah  yang  sudah dioptimasikan  untuk  berat  badan  70  Kg  pada  kondisi  tanah rawa, ditunjukkan dalam gambar di bawah ini:
Gambar 7. Rancangan sistem pentanahan pada kasus 2
Kasus  2: diperoleh  kondisi  tegangan  sentuh  yang  sudah  di optimasikan  pada  kondisi  tanah  rawa  menggunakan CYMGRD untuk berat badan 70 Kg.
Seperti  terlihat  pada  Gambar  8  nilai    tegangan  sentuh maksimum (580,761 Volt), nilai ini lebih kecil dari tegangan sentuh    maksimum  yang  disyaratkan  (902,73  Volt).  Hasil yang  diperoleh  dari  perancangan  sistem  pentanahan  pada gardu induk dalam kasus 2 termasuk dalam kondisi aman.
Di  bawah  ini  ditunjukkan  hasil  optimasi  tegangan langkah yang timbul pada sistem pentanahan gardu induk:
Gambar 9. Tegangan Langkah untuk berat badan 70 Kg
Gambar 9 diperoleh hasil tegangan langkah dengan nilai tegangan  langkah  maksimum  (83,18  Volt),  nilai  ini  lebih kecil  dari  tegangan  langkah  maksimum  yang  disyaratkan (2944,81  Volt).  Rancangan  sisem  pentananah  seperti  ini termasuk dalam kriteria sistem pentanahan dengan keamanan yang baik.

## III. K ESIMPULAN
Rancangan sistem pentanahan grid gardu induk dengan model persegi pada kondisi tanah rawa dalam dua kasus pada perancangan  sistem  pentanahan  gardu  induk  menggunakan aplikasi CYMGRD, dapat diambil kesimpulan bahwasanya: Kasus  1  yaitu  pada  luas  area  10  x  10  m 2 dengan  jumlah elektroda yang  dipasang  secara  grid  pada  sumbu  x  =  4  dan sumbu  y  =  4  dengan  batang  elektroda  rod  pada  maisng- masing  sudut  =  4,  maka  didapat  nilai  tegangan  sentuh maksimum sebesar (2703,73 Volt), nilai ini lebih besar dari tegangan sentuh  maksimum yang disyaratkan (902,73 Volt), dan  nilai  tegangan  langkah  maksimum  yaitu  (423,08  Volt) yaitu  lebih  kecil  dari  tegangan  langkah  maksimum  yang diizinkan  (2944,81  Volt).  Sehingga  kondisi  ini  tidak memenuhi kriteria keamanan yang baik dan tidak memenuhi batas aman. Kasus 2 pada luas area 50 x 50 m 2 dengan jumlah elektroda yang  dipasang  secara  grid  pada  sumbu  x  =  8  dan sumbu  y  =  8  dengan  batang  elektroda  rod  pada  maisng- masing  sudut  =  16,  maka  didapat  nilai  tegangan  sentuh maksimum  sebesar  (580.761  Volt)  yaitu  lebih  kecil  dari tegangan sentuh maksimum yang disyaratkan (902,73 Volt), dan  nilai  tegangan  langkah  maksimum  yaitu  (83,18  Volt) lebih  kecil  dari  tegangan  langkah  maksimum  yang disyaratkan  (2944,81  Volt).  Rancangan  sistem  pentananah seperti  ini  termasuk  dalam  keriteria  sistem  pentanahan dengan keamanan yang baik.

## U CAPAN T ERIMA K ASIH
Ucapan  terima  kasih  untuk  semua  rekan-rekan  dosen yang  telah  membantu  memberikan  ide  dan  support  dalam penulisan  paper  ini  sehingga  dapat  ditulis  sesuai  dengan standar penulisan jurnal ilmiah.

## R EFFERENSI
[1] IEEE  Power  Engineering  Society.  Substations Committee.  IEEE-SA  Standards  Board.,  IEEE  guide for  safety  in  AC  substation  grounding.  Institute  of Electrical and Electronics Engineers, 2000.
[2] IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Ground System, An American National Standard, ANSI/IEEE Std 81-1983.
[3] IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance,  and  Earth  Surface  Potentials  of  a Grounding System, IEEE Power and Energy Society, IEEE Std 81TM-2012.
[4] Friska Rizqi Pratiwi, Agus Suryanto , “Analisis Sistem Grounding  Pada  Gardu  Induk  150kv  Temanggung Dengan Simulasi Software Etap” , JTE UNIBA, Vol. 5, No. 2, April 2021.
[5] Stanislav Ilenin, Zsolt Čonka, Michal Ivančák, Michal Kolcun, “New  way  in  design  of  a  power  station earthing system” , IEEE International Conference and Workshop  in  Óbuda  on  Electrical  and  Power Engineering • Nov. 20-21, 2018.
[6] Muhamad  Suripto  ,  Agus  Kiswantono, “Evaluasi Perencanaan Sistem Pentanahan Gardu Induk 150 kV Jabon Dengan Simulasi Software CYMGRD”, JTECS :  Jurnal  Sistem  Telekomunikasi  Elektronika  Sistem Kontrol Power Sistem & Komputer Vol. 1 / No. 2, juli 2021.
[7] Md.  Abdus  SALAM,  Quazi  Mehbubar  RAHMAN, “Soil resistivity and ground resistance for dry and wet soil” ,  Springer,  J.  Mod.  Power  Syst.  Clean  Energy, 2017.
[8] Çağrı  KÖKSAL,  Ömer  GÜL, “Analysis  Of  Wind Turbine Grounding Systems In Terms Of Touch And Step Voltages” , GÜL / IU-JEEE Vol. 15(1), 2015.
[9] Vuyani  Michel  Nicholas  Dladla,  Agha  Francis Nnachi,  Rembuluwani  Philip  Tshubwana, “Analysis of Design Parameters on Substation Earth Grid Safety Limits” ,  Science  Publishing  Group,  10(2):  61-72, 2022.
[10] Samuel  Marco  Gunawan,  Julius  Santosa, “Analisa Perancangan Gardu Induk Sistem Outdoor 150 kV di Tallasa,  Kabupaten  Takalar,  Sulawesi  Selatan”,
Jurnal Dimensi Teknik Elektro Vol. 1, No. 1, 2013.
[11] Surya  Hardi,  Ayu  Fitriani,  Emerson  P.  Sinulingga, “Modeling Of Generator Neutral Grounding Through Distribution Transformator Using Lab View Graphical User Interface” , ICOSTA 2020.
[12] Ayu  Fitriani,  Joel  Panjaitan,  and  Syofyan  Anwar Syahputra, “The Effect of Soil Type on Touch Voltage and  Step  Voltage  in  the  Grid  Grounding  System” , Jurnal Teknik Elektro, Vol. 16 No. 1, April 2024.
[13] Ayu  Fitriani,  Joel  Panjaitan,  Syafriwel, “Analisis Pentanahan  Gardu  Induk  Akibat  Surja  Petir Menggunakan  Finite  Elemen  Method”, Jambura
Journal  of  Electrical  and  Electronics  Engineering, Volume 5 Nomor 2 Juli 2023.
[14] ANSI/IEEE Std, 80-2013/Cor 1-2015, “IEEE` “ Guide for safety in AC substation grounding”, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, All rights reserved, Published 15 May 2015.
[15] N. Permal, M. Osman, A. M. Ariffin, and M. Z. A. Ab Kadir,  “The  impact  of  substation  grounding  grid
design parameters in non-homogenous soil to the grid safety threshold parameters, 2021.