Arus hubung pendek dan kapasitas pemutusan

Di sebuah laundry komersial dengan deretan mesin cuci, pengering, dan setrika uap yang beroperasi sepanjang hari, hubung pendek adalah kejadian yang harus diperhitungkan sejak rancangan, bukan kemungkinan yang boleh diabaikan. Ketika kabel instalasi mengalami kerusakan isolasi akibat panas berlebih atau terjepit bodi mesin, arus yang mengalir bisa mencapai puluhan kali arus nominal dalam sepersekian detik. Jika pengaman yang terpasang tidak mampu memutus arus sebesar itu, pengaman tersebut bisa meledak, busur api bertahan, dan instalasi terbakar sebelum pemutusan terjadi. Kabel kecil juga bisa rusak sebelum pengaman memutus, walaupun pengamannya sendiri selamat.

Bab proteksi arus lebih membahas bagaimana pengaman merespons kondisi beban lebih yang berlangsung dalam hitungan detik hingga menit, dan memilih arus pengenal pengaman terhadap kabelnya. Pokok bahasan di sini berbeda: besaran arus gangguan yang dapat mengalir di setiap titik instalasi, kemampuan pengaman memutus arus itu tanpa rusak, dan kemampuan konduktor bertahan secara termal sampai pengaman memutus.

Batas pembahasan

Cakupannya instalasi tegangan rendah 230/400 V, 50 Hz dalam lingkup laundry komersial dan mesin industri ringan. PUIL 2020 Bagian 4-43 Ayat 434 hanya mempertimbangkan hubung pendek antara konduktor pada sirkit yang sama; gangguan fasa ke konduktor proteksi dan waktu pemutusan otomatisnya dibahas pada bab proteksi kejut listrik. Perhitungan memakai metode impedansi sederhana yang diturunkan dari prinsip IEC 60909-0 (edisi 3, 2026), untuk dua keadaan: arus tiga fasa simetris maksimum dan arus fasa-netral minimum. Arus puncak asimetris, komponen simetris, dan sumbangan motor secara rinci memerlukan IEC 60909-0 secara penuh atau perangkat lunak studi. Energi busur api dibahas pada bab busur api. Uraian ini bahan belajar, bukan instruksi kerja; penggantian pengaman dilakukan personel kompeten dalam keadaan bebas tegangan yang terverifikasi, sesuai Bab 2 · Keselamatan.

Sumber arus hubung pendek

Arus hubung pendek ditentukan oleh semua unsur sistem antara sumber energi dan titik gangguan. Dalam instalasi laundry komersial yang disuplai dari jaringan distribusi umum, tiga unsur utama perlu dipahami: transformator distribusi, kabel instalasi, dan generator cadangan bila ada.

Transformator distribusi (-T1) adalah sumber terbesar arus hubung pendek di sisi sekunder. Impedansinya dinyatakan sebagai impedansi hubung singkat relatif $u_\text{k}$, yaitu tegangan uji hubung singkat dalam persen tegangan pengenal, seperti diuraikan pada bab transformator. Semakin kecil nilai $u_\text{k}$ dan semakin besar daya pengenal trafo, semakin besar arus hubung pendek yang bisa dihasilkan. Jaringan tegangan menengah di sisi primer juga memiliki impedansi; dalam perhitungan sederhana impedansi itu diabaikan, yang membuat arus maksimum sedikit lebih besar dari sebenarnya, atau diambil dari data yang diberikan operator jaringan.

Kabel instalasi, misalnya -W1 pada contoh kerja, bukan sumber energi, tetapi resistansi dan reaktansinya membatasi arus yang dapat mencapai titik gangguan. Semakin panjang dan semakin kecil penampang kabel, semakin besar impedansi yang ditambahkan ke lingkar gangguan, sehingga arus hubung pendek di ujung kabel lebih rendah daripada di terminal trafo. Penurunan ini menentukan dua hal: kapasitas pemutusan yang dibutuhkan pengaman di sepanjang instalasi, dan apakah pengaman di hulu masih memutus cukup cepat bila gangguan terjadi jauh di hilir.

Generator cadangan (genset) memberi arus hubung pendek awal yang dibatasi reaktansi subtransiennya ($X''_\text{d}$), yang umumnya lebih besar daripada $u_\text{k}$ trafo, sehingga arusnya lebih kecil daripada trafo berdaya serupa, lalu turun ke nilai tunak yang bergantung pada sistem eksitasinya. Bila genset bekerja paralel dengan trafo, sumbangan keduanya dijumlahkan dan kapasitas pemutusan diperiksa terhadap jumlah itu. Bila genset bekerja sendiri, masalahnya berbalik: arus gangguan minimum bisa terlalu kecil untuk memicu pelepasan seketika pengaman, sehingga waktu pemutusan diperiksa ulang; topik ini dibahas pada bab genset, sakelar alih, dan suplai cadangan. Motor induksi yang sedang berputar juga menyumbang arus selama beberapa periode pertama. Satu panduan instalasi menyebut sumbangan ini boleh diabaikan kecuali daya motor yang berjalan bersamaan melebihi sekitar 25 % daya trafo (sekunder).

Perkiraan cepat arus hubung pendek di terminal trafo

Arus hubung pendek tiga fasa di terminal sekunder transformator distribusi dapat diperkirakan dengan cara yang cukup sederhana bila data trafo diketahui. Cara ini menganggap jaringan tegangan menengah tidak menambah impedansi, sehingga impedansi trafo menjadi satu-satunya pembatas. PUIL 2020 434.1 mewajibkan arus hubung pendek prospektif (prospective short-circuit current) ditentukan pada setiap titik relevan, dengan perhitungan atau pengukuran, dan catatannya menyebut nilai di titik suplai dapat diperoleh dari utilitas. Laundry yang disuplai tegangan rendah dari jaringan operator meminta data itu kepada operator atau mengukurnya.

$$I_\text{k} = \frac{S_\text{n}}{\sqrt{3}\,U_\text{n}\,u_\text{k}} = \frac{I_\text{n}}{u_\text{k}}$$

dengan $I_\text{k}$ arus hubung pendek tiga fasa simetris di terminal trafo (A), $S_\text{n}$ daya pengenal trafo (VA), $U_\text{n}$ tegangan antarfasa sekunder (V), yaitu 400 V, $u_\text{k}$ impedansi hubung singkat relatif dalam bentuk desimal (4 % = 0,04), dan $I_\text{n}$ arus pengenal sekunder (A). Anggapannya: jaringan primer kaku dan tegangan sama dengan nilai nominal. Sebagai ilustrasi, trafo 200 kVA dengan $u_\text{k}$ = 4 % menghasilkan:

$$I_\text{n} = \frac{200\,000}{\sqrt{3} \times 400} = 288{,}7\ \text{A}, \qquad I_\text{k} = \frac{288{,}7}{0{,}04} \approx 7\,217\ \text{A}$$

Nilai ini adalah arus prospektif, yaitu arus yang akan mengalir bila tidak ada impedansi tambahan selain trafo. Dalam praktik, impedansi rel dan sambungan di PHB (papan hubung bagi; PUIL 2020 juga memakai istilah PSDK) sedikit menurunkannya. Sebaliknya, tegangan operasi boleh lebih tinggi daripada nominal; IEC 60909-0 menyatakan hal ini dengan faktor tegangan $c$, dan untuk arus maksimum di jaringan tegangan rendah dengan toleransi +10 % nilainya 1,10; faktor yang sama dipakai pada contoh kerja yang dibahas pada bab selektivitas dan koordinasi antarpengaman. Dengan faktor itu, arus maksimum di terminal trafo tadi menjadi $1{,}1 \times 7\,217 \approx 7\,939$ A. Nilai $u_\text{k}$ wajib diambil dari pelat nama atau laporan uji trafo, bukan dari asumsi. PUIL 2020 434.5.1 mensyaratkan kapasitas pemutusan pengenal gawai proteksi tidak kurang dari arus hubung pendek prospektif maksimum di tempat pemasangannya.

Penurunan arus hubung pendek sepanjang kabel

Ada dua nilai yang dicari untuk setiap titik. Arus maksimum, yaitu gangguan tiga fasa tepat di hilir pengaman, dipakai untuk kapasitas pemutusan dan energi lewat. Arus minimum, yaitu gangguan fasa-netral di ujung terjauh yang dilindungi, dipakai untuk memeriksa bahwa pengaman masih memutus seketika dan kabel tidak melampaui batas termalnya.

Metode impedansi sederhana mengakumulasi impedansi setiap unsur dari sumber sampai titik yang ditinjau. Resistansi dan reaktansi dijumlahkan terpisah, lalu digabung sebagai besaran vektor, karena impedansi trafo sebagian besar reaktif sedangkan kabel kecil hampir murni resistif. Untuk kabel berpenampang di bawah 50 mm², reaktansi kabel boleh diabaikan; bila diperlukan, nilai sekitar 0,08 mΩ/m dapat dipakai tanpa data lain, nilai yang juga dipakai PUIL 2020 5-52 Lampiran G untuk susut tegangan. Resistansi trafo dihitung dari rugi tembaga (rugi berbeban) $P_\text{k}$ pada pelat nama atau laporan uji.

$$Z_\text{T} = \frac{u_\text{k}\,U_\text{n}^2}{S_\text{n}}, \qquad R_\text{T} = \frac{P_\text{k}\,U_\text{n}^2}{S_\text{n}^2}, \qquad X_\text{T} = \sqrt{Z_\text{T}^2 - R_\text{T}^2}$$$$I_\text{3f,maks} = \frac{c_\text{maks}\,U_0}{\sqrt{(R_\text{T} + R_\text{W,20})^2 + X_\text{T}^2}}, \qquad R_\text{W,20} = \frac{\rho_{20}\,L}{A}$$$$I_\text{psc,min} \approx \frac{U_0}{Z_\text{T} + 2\,R_\text{W,panas}}, \qquad R_\text{W,panas} = \frac{\rho_1\,L}{A}$$

dengan $Z_\text{T}$, $R_\text{T}$, $X_\text{T}$ impedansi, resistansi, dan reaktansi trafo per fasa dilihat dari sisi sekunder (Ω), $P_\text{k}$ rugi tembaga trafo (W), $U_0 = 230$ V tegangan fasa-netral, $c_\text{maks} = 1{,}1$, $L$ panjang kabel satu arah (m), $A$ penampang konduktor (mm²), $\rho_{20} = 0{,}0178\ \Omega\,\text{mm}^2/\text{m}$ resistivitas tembaga pada 20 °C, dan $\rho_1 = 0{,}0225\ \Omega\,\text{mm}^2/\text{m}$ resistivitas tembaga pada suhu layanan normal menurut PUIL 2020 5-52 Lampiran G, nilai yang juga dipakai bab proteksi kejut listrik. Faktor 2 pada arus minimum memperhitungkan konduktor fasa dan netral dengan penampang sama. Menempatkan $Z_\text{T}$ sekali di lingkar fasa-netral berlaku untuk trafo distribusi Dyn, yang impedansi urutan nolnya kira-kira sama dengan impedansi urutan positifnya.

Setiap penyederhanaan dipilih agar kesalahannya jatuh di sisi aman. Untuk arus maksimum, resistansi kabel pada 20 °C, faktor $c$ 1,1, dan pengabaian impedansi jaringan tegangan menengah semuanya menaikkan hasil. Bila $P_\text{k}$ belum diketahui, anggaplah trafo murni reaktif ($X_\text{T} = Z_\text{T}$, $R_\text{T} = 0$); hasilnya selalu lebih besar daripada nilai sebenarnya dan tetap aman. Untuk arus minimum, resistansi panas dan penjumlahan aritmetika besaran $Z_\text{T}$ dengan resistansi kabel memberi impedansi lebih besar daripada nilai vektornya, jadi arusnya lebih kecil dari sebenarnya. Kebalikannya tidak aman: lembar hitung yang menjumlah $Z_\text{T}$ dan resistansi kabel panas secara aritmetika tanpa faktor $c$ dapat menghasilkan angka sekitar sepertiga lebih kecil daripada arus maksimum yang benar; di contoh kerja 3,6 kA terhadap 5,4 kA.

Bila titik awal bukan terminal trafo melainkan hasil uji lingkar, bab uji pembumian dan impedansi lingkar memberi $I_\text{psc} = U_0/Z_\text{LN}$ dan perkiraan $I_\text{3f} \approx 2\,I_\text{psc}$. Perkiraan dua kali itu terlalu besar bila impedansi trafo mendominasi, sehingga untuk kapasitas pemutusan tetap aman, asalkan netral berpenampang dan berbahan sama dengan fasa; bila netral lebih kecil atau lebih resistif, perkiraan itu terlalu kecil dan tidak dipakai memilih kapasitas pemutusan. Untuk arus busur, yang dibahas pada bab busur api, perkiraan yang terlalu besar justru tidak aman.

Icn, Icu, dan Ics: arti dan pemilihan

Besaran kapasitas pemutusan pada pengaman sering dibaca tetapi jarang dipahami dengan benar. Kesalahan memilihnya berbahaya karena tidak terlihat saat kondisi normal dan baru tampak saat gangguan terjadi.

Icn, kapasitas hubung pendek pengenal MCB. Didefinisikan oleh IEC 60898-1 untuk pemutus sirkit miniatur (miniature circuit breaker, MCB) yang dipakai di instalasi rumah tinggal dan sejenisnya. $I_\text{cn}$ adalah arus hubung pendek prospektif tertinggi yang terbukti dapat diputus MCB dalam urutan uji standar. Kemampuan memutus yang masih menyisakan MCB dalam keadaan layak pakai dinyatakan sebagai kapasitas hubung pendek layanan $I_\text{cs}$. Rasio $I_\text{cs}/I_\text{cn}$ ditetapkan standar itu: sama dengan 1 untuk $I_\text{cn}$ sampai 6 kA, 0,75 untuk 6–10 kA (sekurang-kurangnya 6 kA), dan 0,5 di atas 10 kA (sekurang-kurangnya 7,5 kA) (sekunder). Jadi MCB 6 kA diuji tetap layak pakai setelah memutus 6 kA, sedangkan MCB 10 kA hanya dijamin layak pakai sampai 7,5 kA. Nilai $I_\text{cn}$ standar berjenjang 1.500 A, 3.000 A, 4.500 A, 6.000 A, dan 10.000 A, dan di atasnya sampai 25 kA.

Icu, kapasitas pemutusan hubung pendek batas MCCB dan ACB. Didefinisikan oleh IEC 60947-2 untuk pemutus sirkit industri (moulded case circuit breaker, MCCB, dan air circuit breaker, ACB). $I_\text{cu}$ adalah kapasitas pemutusan tertinggi yang dibuktikan dengan urutan uji buka, lalu tutup-buka. Setelah urutan itu, pemutus diperiksa kekuatan dielektrik dan pelepas beban lebihnya, tetapi tidak disyaratkan tetap mampu menyalurkan arus pengenalnya secara terus-menerus. Karena itu, pemutus yang pernah memutus arus mendekati $I_\text{cu}$ diperiksa dan, bila petunjuk pabrikan memintanya, diganti.

Ics, kapasitas pemutusan hubung pendek layanan MCCB dan ACB. Juga didefinisikan oleh IEC 60947-2. $I_\text{cs}$ dibuktikan dengan urutan uji tiga operasi (buka, tutup-buka, tutup-buka), dan setelahnya pemutus masih harus menyalurkan arus pengenalnya dengan kenaikan suhu yang diverifikasi. $I_\text{cs}$ selalu lebih rendah atau sama dengan $I_\text{cu}$ dan dinyatakan sebagai persentase $I_\text{cu}$ antara 25 % dan 100 %, dalam jenjang yang ditetapkan standar (sekunder).

PUIL 2020 434.5.1 menyebut "kapasitas pemutusan pengenal", sehingga yang wajib tidak kurang dari arus hubung pendek prospektif maksimum di titik pemasangan adalah $I_\text{cn}$ untuk MCB dan $I_\text{cu}$ untuk MCCB dan ACB. Untuk instalasi yang mengutamakan kelangsungan operasi tanpa penggantian komponen setelah gangguan, misalnya PHB utama laundry komersial yang harus segera aktif kembali, memilih $I_\text{cs}$ juga tidak kurang dari arus itu adalah pilihan kontinuitas yang lebih ketat; hubungannya dengan kontinuitas antarpengaman dibahas pada bab selektivitas dan koordinasi antarpengaman. Pilihan itu tambahan atas syarat PUIL, bukan pengganti.

Ketahanan termal kabel dan pemeriksaan I²t

Ketika arus hubung pendek mengalir melalui konduktor, energi panas dibangkitkan sesuai hukum Joule, $W = I^2 R\,t$, dasar yang dibahas pada Bab 1. Jika energi ini terlalu besar sebelum pengaman memutus, isolasi kabel dapat rusak permanen, bahkan konduktornya bisa meleleh. PUIL 2020 434.5.2 mensyaratkan setiap arus hubung pendek di titik mana pun pada sirkit diputus sebelum isolasi konduktor mencapai suhu batasnya, dan memberi rumus pendekatan untuk durasi sampai 5 s:

$$t = \left(\frac{k\,S}{I}\right)^2 \qquad \text{atau} \qquad S \ge \frac{I\,\sqrt{t}}{k}$$

dengan $t$ durasi yang diizinkan (s), $S$ penampang konduktor (mm²), $I$ arus hubung pendek efektif (A), dan $k$ faktor bahan konduktor dan isolasinya dari Tabel 43A. Anggapannya adiabatik: semua panas tersimpan di konduktor selama $t$. Untuk waktu operasi pengaman kurang dari 0,1 s, ketika asimetri arus berpengaruh, dan untuk gawai pembatas arus, rumus waktu tidak dipakai. Syaratnya berganti menjadi $k^2 S^2$ lebih besar dari energi lewat (let-through energy) $I^2 t$ yang diberikan pabrikan gawai proteksi. Nilainya tercantum di lembar data untuk berbagai tingkat arus prospektif.

Faktor $k$ mencerminkan kemampuan konduktor dan isolasinya menyerap panas tanpa kerusakan. Isolasi XLPE memiliki suhu operasi maksimum yang lebih tinggi dibandingkan PVC (90 °C terhadap 70 °C) dan suhu batas hubung pendek yang lebih tinggi (250 °C terhadap 160 °C), sehingga nilai $k$-nya lebih besar. Tabel 43A memuat juga nilai untuk aluminium, PVC 90 °C, karet, dan kabel mineral; catatannya menyebut nilai untuk konduktor kecil di bawah 10 mm² masih dalam pertimbangan dan bahwa faktornya berbasis IEC 60724. Penggunaan nilai $k$ yang salah, misalnya memakai nilai XLPE untuk kabel PVC, menghasilkan kesimpulan yang terlalu optimis dan berbahaya.

Nilai $k$ di tabel sudah menganggap konduktor mulai dari suhu operasi maksimumnya, yaitu kabel yang sedang dibebani penuh sesaat sebelum gangguan. Jadi tidak ada koreksi tambahan untuk kabel yang berbeban penuh; kabel yang lebih dingin justru memiliki cadangan termal lebih besar dari hasil rumus.

Letak pengaman hubung pendek juga diatur. PUIL 2020 434.2 menempatkan pengaman di titik tempat penampang konduktor berkurang atau kemampuan hantar arusnya berubah. Subayat 434.2.1 mengizinkan pengaman digeser dari titik itu bila bagian konduktor di antaranya tidak bercabang dan tidak memiliki kotak kontak, dipasang sehingga risiko hubung pendek minimum, dan tidak berada di dekat bahan mudah terbakar. Izin penggeseran ini tidak berlaku di lokasi yang berisiko kebakaran atau ledakan; ruang pengering dengan timbunan serat yang dinilai berisiko kebakaran termasuk yang perlu diperiksa lebih dulu. Butir a) teks PUIL 2020 tertulis "panjangnya melebihi 3 m"; itu salah terjemah. IEC 60364-4-43 dan Lampiran D.2 PUIL 2020 sendiri menyatakan panjang itu tidak melebihi 3 m, sehingga yang benar adalah paling panjang 3 m.

Proteksi cadangan (back-up)

Proteksi cadangan adalah susunan ketika pengaman di sisi hulu (lebih dekat ke sumber) ikut memutus gangguan yang melampaui kapasitas pemutusan pengaman di sisi hilir, sehingga pengaman hilir tidak perlu memiliki kapasitas pemutusan sebesar arus hubung pendek di titiknya sendiri. Dasarnya adalah paragraf kedua PUIL 2020 434.5.1: kapasitas pemutusan pengenal yang lebih rendah diizinkan bila di sisi suplai terpasang gawai lain dengan kapasitas yang diperlukan, dan keduanya dikoordinasikan sehingga energi yang lewat tidak melebihi yang dapat ditahan tanpa kerusakan oleh gawai sisi beban dan konduktor yang dilindunginya. IEC 60947-2 memuat cara verifikasi kombinasi seperti itu. Dengan demikian MCB ber-$I_\text{cn}$ rendah dapat dipakai di posisi yang arus hubung pendeknya melampaui $I_\text{cn}$ tersebut, asalkan kombinasinya telah diuji berpasangan.

Penerapan proteksi cadangan hanya sah bila ada pernyataan tertulis dari pabrikan tentang kombinasi pengaman hulu dan hilir yang diizinkan. Pernyataan ini biasanya berbentuk tabel kaskade atau tabel koordinasi (back-up table) yang memuat tipe dan arus pengenal pengaman hulu, tipe pengaman hilir, serta batas arus hubung pendek yang dijamin dapat diputus aman oleh pasangan itu. Catatan 434.5.1 sendiri menyebut rincian koordinasi diperoleh dari pabrikan gawai. Teknisi dan perancang tidak boleh membuat asumsi sendiri tentang kompatibilitas tanpa data pabrikan ini.

Dalam instalasi laundry komersial yang bercabang ke beberapa mesin, susunan yang umum adalah MCCB di PHB utama sebagai pengaman hulu dengan kapasitas pemutusan penuh, dikombinasikan dengan MCB di sirkit-sirkit mesin yang $I_\text{cn}$-nya lebih rendah. Kekurangannya, bila gangguan di cabang mana pun melampaui $I_\text{cn}$ MCB tersebut, MCCB hulu ikut memutus, sehingga seluruh kelompok beban yang dilayaninya padam. Akibatnya terhadap kontinuitas, kewajiban label pada PHB, dan hubungannya dengan selektivitas dibahas pada bab selektivitas dan koordinasi antarpengaman.

Contoh kerja: PHB laundry 50 m dari trafo 200 kVA

Contoh berikut menghitung arus hubung pendek di PHB laundry, memeriksa kapasitas pemutusan MCB di PHB itu, dan memverifikasi kabel pengumpan terhadap pengaman di pangkalnya. Semua data adalah ilustrasi.

Langkah 1: impedansi trafo -T1. Alasan: trafo adalah pembatas utama arus di sisi sekunder.

$$Z_\text{T} = \frac{0{,}04 \times 400^2}{200\,000} = 0{,}032\ \Omega, \qquad R_\text{T} = \frac{2\,500 \times 400^2}{200\,000^2} = 0{,}010\ \Omega, \qquad X_\text{T} = \sqrt{0{,}032^2 - 0{,}010^2} = 0{,}0304\ \Omega$$

Langkah 2: resistansi kabel -W1. Alasan: arus maksimum memakai resistansi dingin, arus minimum resistansi panas.

$$R_\text{W,20} = \frac{0{,}0178 \times 50}{35} = 0{,}0254\ \Omega, \qquad R_\text{W,panas} = \frac{0{,}0225 \times 50}{35} = 0{,}0321\ \Omega$$

Reaktansi kabel 35 mm² diabaikan, yang menaikkan arus maksimum sedikit, ke arah aman.

Langkah 3: arus tiga fasa maksimum di rel PHB laundry. Alasan: MCB -F1 sampai -F6 terpasang di rel itu, sehingga gangguan tepat di hilir terminalnya memberi arus terbesar yang harus mereka putus. Mula-mula dengan anggapan trafo murni reaktif, seolah $P_\text{k}$ belum diketahui:

$$I_\text{3f} = \frac{230}{\sqrt{0{,}0254^2 + 0{,}032^2}} = \frac{230}{0{,}04087} = 5\,627\ \text{A}, \qquad 1{,}1 \times 5\,627 = 6\,190\ \text{A}$$

Hasil ini melampaui 6 kA, jadi kecukupan MCB belum terbukti. Dengan resistansi trafo dari laporan uji:

$$I_\text{3f,maks} = \frac{1{,}1 \times 230}{\sqrt{(0{,}010 + 0{,}0254)^2 + 0{,}0304^2}} = \frac{253}{0{,}04668} = 5\,420\ \text{A}$$

Langkah 4: kapasitas pemutusan MCB. Alasan: PUIL 2020 434.5.1. Karena $6\,000\ \text{A} \ge 5\,420\ \text{A}$, MCB 6 kA memenuhi syarat, dengan margin sekitar 10 %. Karena $I_\text{cn}$ 6 kA, $I_\text{cs}$ MCB ini juga 6 kA. Kesimpulan ini bergantung pada data $P_\text{k}$ dan pada anggapan tidak ada genset paralel atau sumbangan motor besar. Tanpa data trafo yang terverifikasi, pilihan yang dapat dipertahankan adalah MCB 10 kA atau kombinasi kaskade yang tercantum dalam tabel pabrikan. Rumus aritmetika yang menjumlah $Z_\text{T}$ dan resistansi kabel panas memberi hanya sekitar 3,6 kA dan menyembunyikan ketipisan margin ini.

Langkah 5: arus fasa-netral minimum di ujung -W1. Alasan: pengaman di pangkal -W1 harus tetap memutus seketika untuk gangguan terjauh yang dilindunginya, yaitu di rel PHB laundry.

$$I_\text{psc,min} \approx \frac{230}{0{,}032 + 2 \times 0{,}0321} = \frac{230}{0{,}09629} = 2\,389\ \text{A}$$

Ambang seketika -Q1, 1.250 A, dengan toleransi atas yang dianggap +20 % menjadi 1.500 A; anggapan toleransi yang sama dipakai pada contoh kerja yang dibahas pada bab busur api. Karena 2.389 A lebih besar, -Q1 memutus seketika pada gangguan terjauh itu. Pemeriksaan pemutusan otomatis pada bab proteksi kejut listrik memakai lingkar fasa-PE ($Z_\text{s}$), bukan lingkar fasa-netral; bila PE berpenampang sama dan berada di kabel yang sama, hasilnya mendekati angka ini.

Langkah 6: ketahanan termal kabel -W1. Alasan: PUIL 2020 434.5.2. Pengaman -Q1 memutus dalam daerah seketika, di bawah 0,1 s, sehingga yang dipakai adalah perbandingan $k^2 S^2$ dengan $I^2 t$. Arus terbesar yang melewati -W1 terjadi pada gangguan di pangkalnya, dekat terminal trafo, yaitu 7.939 A dari perkiraan cepat. Misalkan lembar data -Q1 menyatakan waktu putus total paling lama 0,1 s di daerah seketika (ilustrasi). Sebagai perkiraan kasar:

$$k^2 S^2 = (115 \times 35)^2 = 16{,}2 \times 10^6\ \text{A}^2\text{s}, \qquad I^2 t \approx 7\,939^2 \times 0{,}1 = 6{,}3 \times 10^6\ \text{A}^2\text{s}$$

Komponen DC pada X/R trafo sekitar 3 menambah paling banyak sekitar 10 %, menjadi kira-kira $6{,}9 \times 10^6\ \text{A}^2\text{s}$. Energi lewat paling banyak sekitar 43 % dari batas kabel, sehingga -W1 terlindungi secara termal. Perkiraan ini hanya pengganti sementara; PUIL 2020 434.5.2 meminta nilai $I^2 t$ dari lembar data pabrikan, dan nilai itu yang dipakai bila tersedia. Arus 7.939 A ini juga menjadi syarat kapasitas pemutusan -Q1 sendiri; $I_\text{cu}$ 25 kA (ilustrasi) memenuhi 434.5.1.

Kesimpulan. Dengan data ilustrasi ini, MCB 6 kA memadai di PHB laundry yang berjarak 50 m dari trafo 200 kVA dengan kabel tembaga 35 mm² PVC, tetapi hanya setelah rugi tembaga trafo diketahui. Kabel pengumpan terlindungi secara termal oleh pengaman di pangkalnya. Perhitungan ini dicatat di diagram garis tunggal, seperti diminta bab perencanaan instalasi.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus dan aturan bab ini; angka keadaan yang bukan dari sumber ditandai angka latihan, dan hitungannya dicatat di peta sumber pengembangan. Data trafo dibaca dari pelat nama atau laporan uji, dan uji lingkar hanya dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Contoh 1: PHB utama di samping trafo rumah sakit. Trafo sebuah rumah sakit berdaya 400 kVA dengan $u_\text{k}$ = 4 % (angka latihan), dan PHB utamanya berada di ruang sebelah trafo. Perkiraan cepat di terminal trafo:

$$I_\text{n} = \frac{400\,000}{\sqrt{3} \times 400} = 577{,}4\ \text{A}, \qquad I_\text{k} = \frac{577{,}4}{0{,}04} \approx 14\,434\ \text{A}, \qquad 1{,}1 \times 14\,434 \approx 15\,877\ \text{A}$$

Pengaman di rel PHB utama memerlukan kapasitas pemutusan pengenal sekurangnya sekitar 15,9 kA, sehingga MCB 10 kA, yang lolos di PHB yang jauh dari trafo, tidak boleh dipasang di rel ini tanpa kombinasi kaskade tertulis dari pabrikan. Bila trafo kelak diganti 630 kVA dengan $u_\text{k}$ yang sama, arus maksimumnya naik ke sekitar 25,0 kA, dan semua PHB di hilirnya dihitung ulang (kondisi berhenti butir 4).

Contoh 2: dari hasil uji lingkar di PHB lantai hotel. Uji lingkar di rel PHB lantai sebuah hotel memberi $Z_\text{LN}$ = 0,115 Ω (angka latihan), dan netral kabel pengumpannya sepenampang dan sebahan dengan fasa.

$$I_\text{psc} = \frac{U_0}{Z_\text{LN}} = \frac{230}{0{,}115} = 2\,000\ \text{A}, \qquad I_\text{3f} \approx 2\,I_\text{psc} = 4\,000\ \text{A}$$

MCB 4,5 kA memenuhi 434.5.1 dengan margin 12,5 %, dan MCB 6 kA memberi margin lebih lebar. Perkiraan dua kali ini berada di sisi aman untuk kapasitas pemutusan, tetapi tidak dipakai bila netralnya lebih kecil, dan tidak dipakai untuk arus busur.

Contoh 3: waktu yang diizinkan untuk kabel sub-PHB dapur hotel. Sub-PHB dapur sebuah hotel disuplai kabel NYY berisolasi PVC 16 mm² ($k$ = 115). Arus gangguan minimum di ujungnya 900 A, dan pada arus itu MCCB pengumpan bekerja di daerah waktu invers dengan waktu putus 1,5 s menurut kurva pabrikan (angka latihan). Karena 1,5 s berada di antara 0,1 s dan 5 s, rumus waktu berlaku:

$$t = \left(\frac{115 \times 16}{900}\right)^2 = 4{,}18\ \text{s}, \qquad S \ge \frac{900\,\sqrt{1{,}5}}{115} = 9{,}6\ \text{mm}^2$$

Waktu putus 1,5 s di bawah 4,18 s, jadi kabel terlindungi secara termal. Kabel 10 mm² hanya diizinkan 1,63 s, sangat dekat dengan waktu putusnya, sehingga penampang 16 mm² memberi cadangan yang dapat dipertahankan.

Contoh 4: nilai $k$ yang salah pada pengumpan laundry rumah sakit. Pengumpan sub-PHB laundry sebuah rumah sakit memakai kabel PVC 16 mm². Pengaman pangkalnya memutus di bawah 0,1 s, dan lembar datanya menyatakan energi lewat paling besar $4{,}0 \times 10^6$ A²s pada arus hubung pendek di titik itu (angka latihan).

$$k^2 S^2 = (115 \times 16)^2 = 3{,}39 \times 10^6\ \text{A}^2\text{s} < 4{,}0 \times 10^6\ \text{A}^2\text{s}$$

Kabel tidak terlindungi secara termal. Dengan $k$ = 143 yang keliru, hasilnya $5{,}23 \times 10^6$ A²s dan kabel tampak lolos. Perbaikannya kabel PVC 25 mm² ($8{,}27 \times 10^6$ A²s), kabel XLPE yang memang ber-$k$ 143, atau pengaman yang energi lewatnya lebih kecil menurut data pabrikan.

Kondisi berhenti

Hentikan pemilihan, pemasangan, atau pemberian tegangan, dan jangan lanjutkan sampai keadaan diperbaiki, bila:

1. Arus hubung pendek prospektif di titik pemasangan tidak diketahui dan tidak dapat diperoleh dari operator jaringan, dari perhitungan dengan data trafo yang terverifikasi, atau dari pengukuran; kapasitas pemutusan tidak dapat diperiksa, sama dengan kondisi berhenti di bab perencanaan instalasi.
2. Kapasitas pemutusan pengenal pengaman ($I_\text{cn}$ atau $I_\text{cu}$) lebih kecil dari arus hubung pendek prospektif maksimum di titik itu dan tidak ada kombinasi kaskade tertulis dari pabrikan. Ketiadaan stok bukan alasan untuk tetap memasangnya.
3. Pengaman dalam susunan kaskade akan diganti dengan tipe, arus pengenal, atau merek lain yang tidak tercantum di tabel pabrikan.
4. Trafo diganti dengan daya lebih besar atau $u_\text{k}$ lebih kecil, kabel sumber diperbesar, atau genset dipasang paralel, sebelum arus hubung pendek dihitung ulang untuk semua PHB di hilirnya.
5. Pemutus yang baru memutus hubung pendek menunjukkan jelaga, rumah retak, bau terbakar, atau tidak dapat dioperasikan normal, atau sebab gangguannya belum ditemukan dan diperbaiki; pemutus itu tidak dimasukkan kembali. Kondisi yang sama dibahas pada bab busur api.
6. Data arus hubung pendek akan diambil dengan uji impedansi lingkar oleh orang yang bukan personel kompeten, atau tanpa alat berkategori ukur yang sesuai dan APD, sesuai bab uji pembumian dan impedansi lingkar.

Salah tafsir yang sering terjadi

"MCB sudah trip, pasti masih bagus." MCB yang berhasil memutus arus hubung pendek belum tentu layak dipakai kembali. Bila arus yang diputus melampaui $I_\text{cs}$-nya (pada MCB di atas 6 kA lebih kecil dari $I_\text{cn}$), atau MCB menunjukkan tanda kerusakan, MCB diperiksa dan diganti menurut petunjuk pabrikan meskipun tampak utuh. Ruang pemadam busur dan kontaknya bisa sudah aus sehingga pemutusan berikutnya tidak terjamin.

Menyamakan Icu dengan Ics. $I_\text{cu}$ membuktikan pemutus dapat memutus arus itu, tetapi tidak menjamin ia tetap layak menyalurkan arus pengenalnya sesudahnya; $I_\text{cs}$ menjamin hal itu. Memeriksa $I_\text{cu}$ saja sudah memenuhi PUIL 2020 434.5.1, tetapi untuk instalasi yang dituntut beroperasi kembali tanpa penggantian pasca-gangguan, $I_\text{cs}$ juga harus tidak kurang dari arus hubung pendek maksimum.

Mengabaikan penurunan arus hubung pendek di cabang. Pengaman di PHB yang jauh memang boleh berkapasitas pemutusan lebih kecil, tetapi arus yang lebih rendah juga berarti pengaman bisa gagal memutus seketika dan butuh waktu lebih lama. Arus minimum di ujung sirkit tetap harus diperiksa terhadap ambang seketika dan batas termal kabel.

Menganggap proteksi cadangan berlaku universal. Proteksi cadangan hanya berlaku untuk kombinasi yang dinyatakan kompatibel secara tertulis oleh pabrikan. Menganggap semua MCCB dapat menjadi pengaman cadangan bagi semua MCB tidak sesuai PUIL 2020 434.5.1 dan berbahaya.

Menggunakan nilai k yang salah atau rumus waktu di bawah 0,1 s. Menggunakan $k$ = 143 (XLPE) untuk kabel yang sebenarnya berisolasi PVC menghasilkan perhitungan yang terlalu optimis: kabel dianggap terlindungi padahal tidak. Memasukkan waktu 10 ms ke rumus $t = (kS/I)^2$ untuk MCB juga keliru, karena di bawah 0,1 s PUIL meminta perbandingan dengan $I^2 t$ dari pabrikan.

Memakai arus terminal trafo untuk seluruh instalasi, atau menjumlah impedansi secara aritmetika. Arus di terminal trafo hanya berlaku di titik itu. Pengaman yang lolos di terminal trafo tentu lolos di PHB yang lebih jauh, tetapi pengaman yang lolos di PHB belum tentu boleh dipasang di dekat trafo. Menjumlah impedansi trafo dan resistansi kabel secara aritmetika untuk arus maksimum menghasilkan angka terlalu kecil, seperti ditunjukkan contoh kerja.

Hubungan dengan bab lain

Hukum Ohm dan daya Joule berasal dari Bab 1, impedansi vektor dari bab reaktansi dan impedansi, dan $u_\text{k}$ dari bab transformator. Data suplai dari operator ada di bab sistem suplai tegangan rendah, dan pengukuran $Z_\text{LN}$ di bab uji pembumian dan impedansi lingkar. Arus gangguan minimum, dihitung dengan cara yang sama untuk lingkar fasa-PE, menjadi masukan bab proteksi kejut listrik, arus pengenal pengaman dipilih pada bab proteksi arus lebih, dan kapasitas pemutusan dicatat di diagram garis tunggal menurut bab perencanaan instalasi. Pengaruh arus hubung pendek dan waktu putus terhadap energi insiden dibahas pada bab busur api. Hubungan waktu antarpengaman dan kaskade dibahas pada bab selektivitas dan koordinasi antarpengaman, dan perubahan arus hubung pendek saat suplai berpindah ke genset dibahas pada bab genset, sakelar alih, dan suplai cadangan.

Latihan dan pembahasan

Gunakan data ilustrasi pada setiap soal; $c_\text{maks} = 1{,}1$, $\rho_{20} = 0{,}0178$ dan $\rho_1 = 0{,}0225\ \Omega\,\text{mm}^2/\text{m}$ bila diperlukan.

1. Sebuah trafo distribusi -T1 100 kVA dengan $u_\text{k}$ = 5 % menyuplai 400/230 V. Hitung arus hubung pendek tiga fasa di terminal sekundernya, tanpa dan dengan faktor tegangan.
2. Uji lingkar di PHB laundry memberi impedansi lingkar fasa-netral $Z_\text{LN}$ = 0,082 Ω (ilustrasi). Kabel -W2 tembaga berisolasi XLPE 10 mm², 30 m, menyuplai mesin cuci industri. Hitung arus hubung pendek fasa-netral minimum di terminal mesin.
3. Kabel -W2 pada Soal 2 dilindungi MCB -F2 32 A kurva C, $I_\text{cn}$ 6 kA. Lembar data -F2 menyatakan energi lewat paling besar 45.000 A²s pada 6 kA (ilustrasi). Periksa ketahanan termal -W2, dan jelaskan kenapa rumus $t = (kS/I)^2$ dengan waktu putus 0,02 s tidak dipakai.
4. Sebuah MCCB memiliki $I_\text{cu}$ = 36 kA dan $I_\text{cs}$ = 25 % $I_\text{cu}$. Arus hubung pendek prospektif maksimum di titik pemasangan 8 kA, dan laundry ini menuntut operasi segera tanpa penggantian komponen pasca-gangguan. Apakah MCCB ini memadai? Jelaskan peran masing-masing besaran.
5. Seorang teknisi berargumen: MCB -F3 di PHB cabang yang jauh memiliki $I_\text{cn}$ = 3 kA, dan arus hubung pendek di titik itu hanya 2,1 kA, maka MCB tersebut pasti melindungi sirkitnya dengan baik. Apakah argumen ini lengkap? Apa yang perlu diperiksa lebih lanjut?
6. PHB laundry dipasok kabel -W1 tembaga PVC 16 mm², 40 m, dari trafo 160 kVA, $u_\text{k}$ = 4 %, 400 V, tanpa data rugi tembaga. MCB di PHB memiliki $I_\text{cn}$ = 6 kA. Hitung $I_\text{3f,maks}$ di PHB dan nilai kecukupannya.

Kunci jawaban beralasan

1. $I_\text{n} = 100\,000/(\sqrt{3} \times 400) = 144{,}3$ A; $I_\text{k} = 144{,}3/0{,}05 \approx 2\,887$ A. Dengan faktor tegangan $1{,}1 \times 2\,887 \approx 3\,175$ A. Nilai kedua yang dipakai untuk kapasitas pemutusan di terminal trafo, karena tegangan operasi boleh di atas nominal.
2. Alasan: arus minimum memakai resistansi panas dan lingkar pergi-pulang. $R_\text{W2} = 0{,}0225 \times (2 \times 30)/10 = 0{,}135$ Ω; $Z = 0{,}082 + 0{,}135 = 0{,}217$ Ω; $I_\text{psc,min} = 230/0{,}217 \approx 1\,060$ A. Uji lingkar sendiri hanya dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur yang sesuai dan APD. Bila yang diketahui hanya $I_\text{3f}$ di PHB, $230/I_\text{3f}$ adalah impedansi per fasa, bukan impedansi lingkar.
3. $k^2 S^2 = (143 \times 10)^2 = 2\,044\,900$ A²s, sekitar 45 kali energi lewat 45.000 A²s, jadi -W2 terlindungi secara termal di seluruh rentang sampai 6 kA. Pada arus minimum 1.060 A, -F2 kurva C 32 A pasti memutus seketika karena melampaui batas atas pitanya, $10 \times 32 = 320$ A. Waktu 0,02 s berada di bawah 0,1 s, daerah tempat asimetri arus dan pembatasan arus berpengaruh; PUIL 2020 434.5.2 meminta perbandingan $k^2 S^2$ dengan $I^2 t$ pabrikan, bukan rumus waktu.
4. Syarat PUIL 2020 434.5.1: $I_\text{cu} = 36\ \text{kA} \ge 8$ kA, terpenuhi. Syarat kontinuitas: $I_\text{cs} = 0{,}25 \times 36 = 9$ kA $\ge 8$ kA, terpenuhi, sehingga MCCB tetap layak dipakai setelah memutus gangguan terbesar di titik itu. MCCB memadai. Keduanya relevan: $I_\text{cu}$ untuk syarat wajib, $I_\text{cs}$ untuk tuntutan operasi tanpa penggantian.
5. Tidak lengkap. Pertama, 2,1 kA harus arus maksimum tepat di hilir terminal -F3, dihitung dengan resistansi 20 °C dan faktor tegangan 1,1, bukan arus di ujung sirkit atau hasil hitung dengan resistansi panas. Kedua, perlu diperiksa arus minimum di ujung terjauh sirkit yang dilindungi -F3: apakah masih di atas ambang seketika dan memenuhi impedansi lingkar maksimum bab proteksi kejut listrik. Ketiga, ketahanan termal kabel sirkit diperiksa dengan $k^2 S^2 \ge I^2 t$ dari lembar data -F3 menurut PUIL 2020 434.5.2.
6. $Z_\text{T} = 0{,}04 \times 400^2/160\,000 = 0{,}040$ Ω; $R_\text{W,20} = 0{,}0178 \times 40/16 = 0{,}0445$ Ω. Tanpa $P_\text{k}$, trafo dianggap murni reaktif (sisi aman): $Z = \sqrt{0{,}0445^2 + 0{,}040^2} = 0{,}05984$ Ω; $I_\text{3f} = 230/0{,}05984 = 3\,844$ A; $I_\text{3f,maks} = 1{,}1 \times 3\,844 \approx 4\,228$ A. Karena $6\,000 \ge 4\,228$ A, MCB 6 kA memadai bahkan dengan anggapan paling aman, sehingga data rugi tembaga tidak diperlukan untuk keputusan ini. Penjumlahan aritmetika dengan resistansi panas akan memberi sekitar 2,4 kA, terlalu kecil.

Referensi