Panduan Lengkap Desain Sistem Pembumian dan Grounding Substasi

Desain Sistem Pembumian / Grounding di Jaringan Substasi

Pengantar Pembumian Substasi

Di tegangan tinggi dan menengah^[1]Air Insulated Substations (AIS) medangan elektromagnetik, yang disebabkan oleh muatan statis kabel dan konduktor bare dan oleh kondisi atmosfer (surges), menginduksi tegangan pada bagian tidak bermuatan instalasi yang menciptakan perbedaan potensial antara bagian logam dan tanah dan juga antara titik-titik berbeda di tanah.

Situasi serupa dapat terjadi ketika terdapat gangguan antara bagian bermuatan instalasi dan bagian tidak bermuatan, misalnya dalam short circuit fase-ke-tanah.

Perbedaan potensial ini menghasilkan step potential dan touch potential, atau kombinasi keduanya, yang dapat mengakibatkan sirkulasi arus listrik melalui tubuh manusia, yang dapat menimbulkan bahaya bagi orang.

Touch voltage (E_t) dapat didefinisikan sebagai perbedaan potensial maksimum yang ada antara struktur logam yang di-earth yang dapat disentuh oleh tangan dan titik mana pun di tanah, ketika arus gangguan mengalir.

Biasanya dipertimbangkan jarak 1 m antara struktur logam dan titik di tanah.

Step voltage (E_s) didefinisikan sebagai perbedaan potensial maksimum yang ada antara kaki ketika arus gangguan mengalir.

Biasanya dipertimbangkan jarak 1 m antara kaki.

Kasus khusus dari step voltage adalah Transferred voltage (E_trrd): di mana tegangan dipindahkan ke atau dari substasi dari atau ke titik jauh eksternal ke lokasi substasi.

• Related Post: Earthing and Electrical Grounding Installation | A Complete Guide

Konsep lain adalah:

• Ground potential rise (GPR): Potensial listrik maksimum yang dapat dicapai grounding grid substasi relatif terhadap titik grounding jauh yang diasumsikan pada potensial remote earth. Tegangan ini, GPR, sama dengan arus grid maksimum kali resistansi grid.
• Mesh voltage (E_m): Touch voltage maksimum dalam mesh grounding grid.
• Metal-to-metal touch voltage (E_mm): Perbedaan potensial antara objek logam atau struktur di lokasi substasi yang dapat dilintasi oleh kontak langsung tangan-ke-tangan atau tangan-ke-kaki.

Diagram dalam Gambar 1 menunjukkan fenomena di atas.

Gambar 1 – Touch, step and transferred voltages

Untuk meminimalkan ke nilai yang dapat diterima dari arus melalui tubuh manusia, untuk memastikan keselamatan listrik bagi orang yang bekerja di dalam atau dekat instalasi, dan juga untuk membatasi interferensi listrik yang mungkin terjadi dengan peralatan pihak ketiga, AIS harus dilengkapi dengan sistem pembumian (atau grounding) sistem, yang semua bagian logam tidak bermuatan instalasi harus terhubung padanya, seperti struktur logam, earthing switches, surge arresters, penutup papan sakut dan motor, rel trafo dan pagar logam.

Karena pembumian berpengaruh pada tingkat overvoltages sistem daya dan arus gangguan, dan definisi sistem perlindungan, sistem pembumian harus dirancang untuk memastikan operasi yang tepat dari perangkat perlindungan seperti protective relaying dan surge arresters.

Desain dan konstruksi sistem pembumian harus memastikan sistem berfungsi untuk masa pakai instalasi yang diharapkan dan oleh karena itu harus mempertimbangkan penambahan di masa depan dan arus gangguan maksimum untuk konfigurasi akhir.

Sistem pembumian terdiri dari mesh kabel tembaga bare yang dikubur, dengan additional earth rods, dan harus dihitung, disarankan untuk menggunakan IEEE Std. 80-2000.

• Related Post: Difference Between Grounding, Earthing and Bonding

Rumus Penting untuk Desain Sistem Pembumian Grid Substasi

Cross section dari kabel yang dikubur harus dihitung sesuai dengan nilai short circuit arus fase-ke-tanah, tetapi umum untuk menggunakan three phase short-circuit current untuk tujuan ini.

Untuk perhitungan ini rumus berikut harus digunakan:Where:

• I”_K1 is the phase-to-earth short-circuit current [A]
• t_s is the duration of the fault [s]
• Δθ is the maximum admissible temperature rise [°C] – for bare copper Δθ = 150 °C

Menurut IEEE Standard yang disebutkan maksimum tolerable step and touch potential dan maksimum tolerable current melalui tubuh manusia (I_hb) dan resistansi dari earth grid (R_g) dihitung oleh rumus:

Maximum tolerable step potential

Maximum tolerable touch potential

Maximum tolerable current through the human body

Resistansi Earth Grid

Where:

• C_s is the surface layer derating factor dan dihitung oleh rumus:
• t_s is the duration of the fault [s]
• ρ_s is the surface material resistivity [Ω.m] – nilai umum untuk wet crushed rock/gravel: 2,500 Ω.m
• ρ is the resistivity of the earth beneath the surface material [Ω.m]
• h_s is the thickness of the surface material [m]
• A is the area occupied by the ground grid [m²]
• l_T is the total buried length of conductor, including the earth rods [m]

Jika lapisan pelindung permukaan tidak digunakan, maka C_s =1 dan ρ_s = ρ

Perhitungan ini biasanya dilakukan menggunakan perangkat lunak spesifik.

Substation Earthing Grid

Gambar 2 menunjukkan contoh earth grid.

Gambar 2 – Earth grid

Metode paling cocok untuk koneksi earth grid adalah:

a.) Exothermic welding

Gambar 3 – Exothermic welding

Exothermic welding is proses koneksi konduktor permanen yang menggunakan logam cair dan cetakan, yang didasarkan pada reaksi kimia antara metal oksida (konduktor) dan bubuk aluminium yang dinyalakan, yang berfungsi sebagai bahan bakar, dengan pelepasan energi panas. Reaksi kimia ini adalah komposisi piroteknik yang dikenal sebagai thermite.

Harus dipastikan bahwa jumlah exothermic welding yang dilakukan dengan setiap cetakan tidak akan melebihi petunjuk produsen.

• Also read: What is the Difference Between Neutral, Ground and Earth?

b.) C connector:

menggunakan hydraulic crimping tool dan matrixes dengan ukuran yang sesuai untuk ukuran konektor.

Gambar 4 – C connector dan crimping tool

Dekat control boxes dari circuit breakers, switches and isolators harus dipasang mat setara logam, terhubung ke sistem pembumian, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5 – Metallic equipotential mat

Good to know:

[1] Being U_n the rated voltage of the network: HV – U_n ≥ 60 kV; MV – 1 kV < U_n ≤ 49.5 kV.

About the Author: Manuel Bolotinha

-Licentiate Degree in Electrical Engineering – Energy and Power Systems (1974 – Instituto Superior Técnico/University of Lisbon)
– Master Degree in Electrical and Computers Engineering (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Nova University of Lisbon)
– Senior Consultant in Substations and Power Systems; Professional Instructor