Beban tak seimbang, arus netral, dan bahaya netral putus

Sebuah laundry kiloan memakai sambungan tiga fasa. Pada suatu sore, lampu ruang setrika meredup setiap kali ketel uap setrika menyala, sementara lampu gudang bersinar sangat terang. Beberapa menit kemudian papan kendali dua mesin cuci satu fasa mati dan berbau hangus, padahal pengering dan pompa tiga fasa tetap bekerja. Voltmeter antarfasa di pintu PHB menunjukkan sekitar 400 V pada ketiga posisi, tidak ada MCB yang trip, dan RCD tidak bereaksi. Belakangan ditemukan terminal netral masuk di PHB longgar dan terbakar. Pemilik bertanya mengapa hanya sebagian alat yang rusak dan mengapa tidak satu pun pengaman bekerja.

Bab sistem tiga fasa mengandaikan tiga beban yang sama, sehingga arus netral nol. Usaha kecil jarang seperti itu: setrika, pemanas air, mesin cuci satu fasa, dan lampu tersebar di tiga fasa dengan daya dan jam kerja berbeda. Uraian berikut menjelaskan arus yang dipikul netral, cara membagi beban, mengapa netral putus merusak sebagian alat saja, dan bagaimana ketidakseimbangan tegangan memanaskan motor tiga fasa. Arus netral akibat gelombang tidak sinus dibahas pada bab harmonisa, dan prosedur mencari netral putus di lapangan pada bab diagnosis instalasi.

Batas pembahasan

Pembahasan dibatasi pada sistem 230/400 V dengan netral dibumikan di sumber, frekuensi 50 Hz, dan arus sinus. Akibat putusnya konduktor PEN terhadap tegangan sentuh dibahas pada bab sistem pembumian TN, TT, dan IT, dan batas tanggung jawab dengan operator jaringan pada bab sistem suplai tegangan rendah. Model netral putus memakai resistansi tetap, sehingga angkanya menunjukkan kecenderungan, bukan tegangan pasti. Uraian ini bukan instruksi kerja; pengukuran pada sistem bertegangan hanya dilakukan oleh personel kompeten dengan alat berkategori ukur yang sesuai dan APD (bab keselamatan alat ukur).

Arus netral sebagai jumlah fasor

Pada beban bintang empat kawat, setiap beban satu fasa tersambung antara satu konduktor lin dan netral, dan arus ketiganya kembali lewat satu konduktor netral. Hukum arus Kirchhoff di titik bintang memberi arus netral sebagai jumlah ketiga arus fasa. Karena ketiga arus bergeser fase, jumlahnya adalah jumlah fasor seperti pada bab arus bolak-balik, bukan jumlah angka tang ampere.

$$\bar{I}_\text{N} = \bar{I}_1 + \bar{I}_2 + \bar{I}_3$$

dengan $\bar{I}_k$ fasor arus bernilai efektif pada konduktor lin ke-$k$, dalam ampere. Dengan $\bar{U}_\text{1N} = 230\angle 0^\circ$ V sebagai acuan pada urutan positif, arus beban L2 berpusat di −120° dan arus beban L3 di +120°, lalu masing-masing tertinggal sebesar $\varphi_k$ bila bebannya induktif. Bila ketiga beban resistif, seperti elemen pemanas dan setrika, ketiga arus berjarak tepat 120° dan penguraian komponen memberi:

$$I_\text{N} = \sqrt{I_1^2 + I_2^2 + I_3^2 - I_1 I_2 - I_2 I_3 - I_3 I_1}$$

Rumus ini hanya berlaku bila ketiga beban bersudut impedansi sama. Bagian arus yang sama pada ketiga fasa, yaitu arus fasa terkecil, membentuk sistem seimbang tanpa arus netral, dan hanya sisanya yang muncul di netral. Arus 20 A, 10 A, dan 5 A setara dengan sistem seimbang 5 A ditambah sisa 15 A dan 5 A pada dua fasa. Akibatnya, bila sudut impedansi ketiga beban sama, arus netral tidak pernah melebihi arus fasa terbesar; nilai tertinggi tercapai saat hanya satu fasa dibebani, atau dua fasa dibebani sama dan fasa ketiga kosong.

Batas itu hilang bila faktor daya berbeda. Misalkan L1 memikul pemanas 10 A dengan faktor daya 1 dan L3 memikul motor satu fasa yang hampir tanpa beban, 10 A dengan faktor daya 0,5. Arus motor tertinggal 60° dari tegangan L3, sehingga sudutnya $120^\circ - 60^\circ = 60^\circ$, dan $|10\angle 0^\circ + 10\angle 60^\circ| = 17{,}3$ A, lebih besar dari kedua arus fasa. Faktor daya yang berbeda dapat juga mengurangi arus netral, seperti pada Contoh kerja 1. Karena itu arus netral tidak dapat disimpulkan dari tiga angka tang ampere; yang dipercaya adalah pengukuran langsung pada netral oleh personel kompeten dengan alat berkategori ukur yang sesuai dan APD, atau hitungan fasor dengan faktor daya tiap beban.

Harmonik kelipatan tiga dari catu daya elektronik dan lampu LED tidak saling meniadakan di netral, melainkan menjumlah, sehingga arus netral dapat melampaui arus fasa walaupun ketiga fasa tampak seimbang. Mekanismenya dibahas pada bab harmonisa.

Membagi beban satu fasa ke tiga fasa

PUIL 2020 Bagian 2 memasukkan keseimbangan beban ke dalam perhitungan teknis desain yang dibuat bila dianggap perlu, dan meminta diagram garis tunggal menyebut jenis, besar, dan pembagian beban (2.1.2.3 c dan e). Contoh kebutuhan maksimum di bagian yang sama menghitung arus setiap fasa lalu memakai fasa terberat sebagai acuan. Alasannya: kabel sirkit utama, pengaman awal instalasi, dan pembatas arus sambungan tiga fasa bekerja per konduktor, sehingga fasa terberat yang pertama mencapai batas. Instalasi dengan satu fasa 32 A dan dua fasa 12 A tidak memakai kapasitas tiga fasanya dengan baik, walaupun jumlah arusnya sama dengan tiga fasa masing-masing 18,7 A.

Bagian PUIL 2020 yang tersedia di korpus tidak memberi angka target selisih arus antarfasa. Rak ini memakai ukuran ketidakseimbangan arus berbentuk sama dengan definisi ketidakseimbangan tegangan NEMA di bawah:

$$u_I = 100 \times \frac{\max\left|I_k - I_\text{rata}\right|}{I_\text{rata}}\ \%, \qquad I_\text{rata} = \frac{I_1 + I_2 + I_3}{3}$$

Sebagai target kerja editorial, bukan norma, $u_I$ diusahakan tidak lebih dari sekitar 10 % pada pola beban puncak. Pada beban resistif, arus fasa 1,1; 1,0; dan 0,9 kali rata-rata memberi arus netral sekitar 0,17 kali arus rata-rata, sehingga susut tegangan pada netral kecil. Pada usaha kecil dengan sedikit beban besar target ini sering tidak tercapai; yang wajib tetap bahwa arus fasa terberat berada dalam kemampuan kabel, pengaman, dan sambungan.

Metode praktis untuk membagi beban satu fasa:

1. Daftar setiap beban satu fasa dengan arusnya, dari daya pengenal dibagi 230 V atau dari pelat nama, bukan dengan menghitung titik atau MCB.
2. Tandai pola operasinya: beban yang bekerja terus pada jam sibuk (ketel uap setrika, pemanas air, lampu) berbeda dari beban bersiklus (pemanas mesin cuci yang aktif pada tahap tertentu).
3. Pisahkan beban tiga fasa seimbang; arusnya sama di setiap fasa dan tidak memengaruhi pembagian.
4. Urutkan beban satu fasa dari yang terbesar, lalu tempatkan setiap beban ke fasa yang saat itu paling ringan.
5. Hitung arus tiap fasa, $u_I$, dan arus netral, dengan fasor bila faktor daya beban sangat berbeda.
6. Verifikasi dengan pengukuran arus fasa dan netral pada jam sibuk oleh personel kompeten dengan alat berkategori ukur yang sesuai dan APD, lalu perbarui diagram garis tunggal setiap kali mesin ditambah atau dipindah.

Di laundry, beban satu fasa terbesar biasanya pemanas: ketel uap setrika, pemanas air, dan elemen mesin cuci satu fasa. Bila satu pemanas mendominasi, versi tiga fasa dengan tiga elemen sama menghapus masalahnya di sumber. Mesin tiga fasa yang memakai netral untuk papan kendali 230 V hampir tidak memengaruhi keseimbangan, tetapi tetap ikut terkena bila netral putus.

Ukuran konduktor netral

PUIL 2020 Bagian 5-52, 524.2, mengatur luas penampang netral bila tidak ada informasi yang lebih akurat. Netral sekurang-kurangnya sama dengan konduktor lin pada sirkit satu fasa dua kawat berapa pun ukurannya, pada sirkit multifase dengan konduktor lin sampai 16 mm² tembaga atau 25 mm² aluminium, dan pada sirkit tiga fasa dengan distorsi harmonik ketiga dan kelipatan ganjilnya antara 15 % dan 33 % (524.2.1). Di atas 33 %, netral kabel multiinti dipilih agar mampu menghantar 1,45 kali arus desain lin (524.2.2). Netral yang lebih kecil hanya diizinkan pada sirkit multifase di atas 16 mm² tembaga bila bersamaan: beban normal seimbang dengan harmonik ketiga tidak lebih dari 15 %, netral diproteksi arus lebih menurut 431.2, dan netral tidak kurang dari 16 mm² tembaga atau 25 mm² aluminium (524.2.3).

Untuk ketidakseimbangan pada frekuensi dasar, 523.6.2 menjelaskan mengapa netral berukuran sama sudah cukup: panas dari arus netral diimbangi berkurangnya panas pada fasa yang lebih ringan, sehingga netral dipilih berdasarkan arus lin tertinggi. Lampiran E (informatif) memberi faktor reduksi untuk arus harmonik dan menyebut keadaan lebih berat bila hanya dua fasa dibebani. Laundry yang sirkit utamanya memasok banyak beban satu fasa hampir tidak pernah memenuhi syarat pertama 524.2.3, sehingga netralnya dibuat sama dengan lin; selama arus netral juga diperkirakan tidak melebihi arus lin, 431.2.1 tidak mensyaratkan deteksi arus lebih pada netral. Bila harmonik dapat membuat arus netral melampaui kemampuan hantarnya, berlaku 431.2.3.

Netral putus pada sistem bintang

Selama netral utuh, titik bintang beban dipaku pada potensial netral sumber, dan setiap beban menerima sekitar 230 V apa pun arusnya. Bila netral terputus di hulu beban, titik bintang beban (N′) kehilangan acuan itu, dan potensialnya ditentukan oleh perbandingan admitansi beban. Admitansi adalah kebalikan impedansi, $\bar{Y} = 1/\bar{Z}$, dalam siemens (S); untuk beban resistif, $Y = 1/R$. Dengan hukum arus Kirchhoff di N′ (teorema Millman), tegangan pergeseran titik netral:

$$\bar{U}_\text{N'N} = \frac{\bar{U}_\text{1N}\bar{Y}_1 + \bar{U}_\text{2N}\bar{Y}_2 + \bar{U}_\text{3N}\bar{Y}_3}{\bar{Y}_1 + \bar{Y}_2 + \bar{Y}_3}, \qquad \bar{U}'_k = \bar{U}_\text{kN} - \bar{U}_\text{N'N}$$

dengan $\bar{U}_\text{kN}$ tegangan fasa sumber dan $\bar{U}'_k$ tegangan yang benar-benar diterima beban ke-$k$. Asumsinya: sumber kaku, impedansi kabel diabaikan, impedansi beban tetap, putus terjadi di hulu semua beban, dan tidak ada jalur lain dari N′ ke bumi. Pembilang rumus itu sama dengan arus netral yang mengalir sebelum netral putus, karena saat itu $\bar{I}_k = \bar{U}_\text{kN}\bar{Y}_k$. Jadi $\bar{U}_\text{N'N} = \bar{I}_\text{N}/\sum\bar{Y}$: makin besar arus netral normal dan makin ringan total bebannya, makin jauh titik netral bergeser.

Titik N′ bergeser ke arah fasa yang bebannya paling berat, karena admitansi besar menarik N′ ke ujung fasanya; beban berat menerima tegangan rendah dan beban ringan tegangan tinggi. Pada beban resistif, bobot $Y_k/\sum Y$ semuanya positif, sehingga N′ selalu berada di dalam segitiga ujung ketiga fasor tegangan fasa, dan tegangan satu beban tidak dapat melebihi sisi segitiga itu, yaitu $\sqrt{3}\,U_0 \approx 400$ V. Kasus terburuknya adalah beban kecil, misalnya papan kendali elektronik, pada satu fasa yang berhadapan dengan beban besar pada fasa lain: beban kecil itu menerima hampir 400 V. PUIL 2020 Bagian 4-44, 442.3, meminta hal ini dipertimbangkan: bila netral sistem multifase TN atau TT terputus, isolasi dan komponen berating tegangan lin ke netral dapat terkena tegangan lin ke lin, sampai $\sqrt{3}\,U_0$. Batas ini berlaku selama semua beban bersudut impedansi sama, termasuk semua beban resistif. Bila faktor dayanya berbeda, misalnya pemanas di satu fasa dan motor di fasa lain, bobotnya kompleks dan N′ dapat keluar dari segitiga. Dalam model impedansi tetap, pemanas 10 A di L1, motor 10 A dengan faktor daya 0,5 di L3, dan papan kendali kecil di L2 memberi papan kendali sekitar 460 V; pada urutan fasa terbalik tegangannya jauh lebih rendah. Karena itu $\sqrt{3}\,U_0$ adalah angka rancangan PUIL, bukan batas matematis untuk semua beban.

Inilah jawaban pertanyaan pertama pemilik laundry: yang rusak adalah alat satu fasa pada fasa yang ringan saat itu; beban pada fasa berat kekurangan tegangan, sehingga lampu meredup dan motor satu fasa melambat serta memanas. Pengering dan pompa tiga fasa tanpa netral tidak terpengaruh karena tegangan antarfasa tidak berubah, dan karena itu pula voltmeter antarfasa tetap menunjukkan 400 V. Hanya pengukuran fasa-netral yang memperlihatkan masalahnya.

Pertanyaan kedua juga terjawab. MCB tidak trip karena arus fasa beban berat justru turun, sedangkan arus beban ringan memang naik mengikuti tegangannya tetapi tetap jauh di bawah arus pengenal MCB, karena bebannya kecil. Beban kini tersambung seri berpasangan melintasi 400 V. RCD tidak bereaksi karena semua arus tetap masuk dan keluar lewat konduktor yang melewatinya, sehingga tidak ada arus sisa ke bumi. Selain itu, konduktor netral di hilir titik putus tidak lagi bertegangan nol terhadap bumi, melainkan $|\bar{U}_\text{N'N}|$, yang pada beban resistif dapat mendekati tegangan fasa dan pada campuran pemanas dan motor dapat melampauinya.

Bila yang putus adalah konduktor PEN di hulu titik pemisahan PE dan N, akibatnya lebih berat. PUIL 2020 menyebut TN-C-S sebagai sistem yang umumnya berlaku di Indonesia (411.4), dan catatan 411.4.1 menyebut pembumian PEN pada banyak titik untuk mengurangi risiko putusnya PEN. Arus netral lalu mencari jalan lewat konduktor proteksi, elektrode bumi, dan logam yang terikat, sehingga rangka mesin cuci dapat bertegangan terhadap lantai basah; rinciannya dibahas pada bab sistem pembumian TN, TT, dan IT. Sebagai pembanding, 442.5 menyebut hubung pendek lin-netral dapat menaikkan tegangan fasa lain terhadap netral sampai 1,45 kali $U_0$ selama paling lama 5 detik.

Mencegah netral putus

Pencegahan pertama adalah sambungan. PUIL 2020 526.1 meminta sambungan konduktor memberi kontinuitas listrik yang awet serta kekuatan mekanis dan proteksi yang memadai. Pada netral syarat ini lebih menentukan daripada pada fasa, karena satu terminal netral masuk yang longgar memengaruhi seluruh beban satu fasa di PHB itu. Torsi terminal sesuai data pabrikan, sepatu kabel yang cocok dengan ukuran dan bahan konduktor, rel netral yang tidak dijejali, dan pemeriksaan berkala terhadap perubahan warna atau panas mencegah sebagian besar kejadian; pemeriksaan berkala dibahas pada bab pemeliharaan listrik terencana.

Pencegahan kedua adalah tidak memasang gawai yang dapat membuka netral sendirian. PUIL 2020 Bagian 2, 2.9.3.1, melarang sekering di konduktor netral yang dibumikan secara langsung. Klausul 2.12.2 melarang sakelar atau pemutus sirkit beroperasi pada netral sirkit cabang yang netralnya dibumikan langsung, kecuali sakelar kutub banyak yang memiliki kontak netral atau sakelar yang terkait sehingga kontak netral tidak dapat tetap terbuka ketika kontak aktif tertutup. Bagian 4-43, 431.3, menambahkan bahwa netral yang harus diputus tidak boleh terbuka sebelum konduktor lin dan harus tersambung kembali bersamaan atau lebih dulu, dan 411.4.3 melarang gawai sakelar atau isolasi pada konduktor PEN. Sekering netral yang putus atau sakelar kutub tunggal di netral meninggalkan fasa bertegangan dan, pada sirkit multifase, menciptakan netral putus.

Pencegahan ketiga adalah pemantauan: relai pemantau tegangan yang mengukur ketiga tegangan fasa-netral dan memutus kontaktor sirkit satu fasa bila salah satunya keluar dari rentang setelan. Voltmeter panel dengan sakelar pemilih sebaiknya memiliki posisi fasa-netral. Relai fasa untuk motor dibahas pada bab proteksi motor. Pemantauan tidak menggantikan sambungan yang baik.

Ketidakseimbangan tegangan dan motor tiga fasa

Netral putus menggeser tegangan fasa-netral tanpa mengubah tegangan antarfasa. Ketidakseimbangan tegangan adalah hal lain: tegangan antarfasa di terminal motor tidak sama besar. Penyebabnya antara lain arus fasa tak seimbang yang melewati impedansi trafo dan kabel sehingga susut tegangannya berbeda, sambungan fasa yang longgar, atau satu tahap bank kapasitor yang sekeringnya putus.

NEMA MG 1 mendefinisikan persen ketidakseimbangan tegangan sebagai 100 kali simpangan terbesar dari rata-rata tegangan antarfasa dibagi rata-rata itu. Standar IEC memakai perbandingan komponen urutan negatif terhadap urutan positif; untuk ketidakseimbangan kecil kedua cara memberi angka berdekatan. IEC 60034-26:2026 menguraikan akibat tegangan tak seimbang pada motor induksi sangkar tiga fasa, dan edisi kedua ini menegaskan bahwa tegangan yang dimaksud adalah tegangan antarfasa.

Mekanismenya: tegangan tak seimbang dapat diuraikan menjadi komponen urutan positif, yang membentuk medan putar searah rotor, dan komponen urutan negatif, yang membentuk medan putar berlawanan. Terhadap medan berlawanan itu slip rotor hampir 2, sehingga impedansinya rendah seperti saat asut, dan komponen tegangan kecil sudah menarik arus besar yang memanaskan rotor dan stator tanpa menambah torsi berguna. Satu catatan teknis pabrikan motor yang dicek editor, yang merujuk NEMA MG 1, menyebut ketidakseimbangan arus pada kecepatan kerja sekitar 6 sampai 10 kali persen ketidakseimbangan tegangan, dan persen kenaikan suhu belitan kira-kira dua kali kuadrat persen ketidakseimbangan tegangan. Keduanya perkiraan kasar, bukan rumus desain.

Menurut catatan teknis pabrikan penggerak yang merujuknya, NEMA MG 1 memberi kurva penurunan rating daya motor terhadap persen ketidakseimbangan tegangan dan tidak menganjurkan operasi di atas 5 %. Nilai titik kurva itu tidak dibaca langsung oleh editor, sehingga tidak dikutip. Rinciannya dibahas pada bab data motor lanjutan, dan relai fasa pada bab proteksi motor. Di laundry, motor washer-extractor dan kipas pengering yang bekerja dekat beban penuh pada instalasi yang beban satu fasanya tak seimbang dapat memanas tanpa terlihat dari tegangan rata-rata. Menaikkan setelan relai beban lebih karena sering trip menutupi gejala ini, bukan memperbaikinya.

Contoh kerja 1: arus netral dari tiga beban laundry satu fasa

Keadaan. Sebuah sub-PHB laundry memasok tiga beban satu fasa: ketel uap setrika 4,6 kW pada L1, sebuah mesin cuci satu fasa pada L2, dan pemanas air kecil 1,15 kW pada L3. Tegangan fasa 230 V, urutan positif, $\bar{U}_\text{1N}$ sebagai acuan. Angka ini ilustrasi.

Langkah 1: arus tiap fasa. Ketel uap dan pemanas air resistif: $I_1 = 4\,600/230 = 20$ A dan $I_3 = 1\,150/230 = 5$ A. Mesin cuci pada tahap pemanasan dianggap resistif, $I_2 = 10$ A.

Langkah 2: arus netral, kasus A (semua resistif).

$$\bar{I}_\text{N} = 20\angle 0^\circ + 10\angle -120^\circ + 5\angle 120^\circ = (20 - 5 - 2{,}5) + j(0 - 8{,}66 + 4{,}33) = 12{,}5 - j4{,}33\ \text{A}$$$$I_\text{N} = \sqrt{12{,}5^2 + 4{,}33^2} = 13{,}2\ \text{A}$$

Rumus besaran memberi hasil sama: $\sqrt{400 + 100 + 25 - 200 - 50 - 100} = \sqrt{175} = 13{,}2$ A, begitu pula cara bagian seimbang: sisa 15 A dan 5 A memberi $\sqrt{225 + 25 - 75} = 13{,}2$ A. Hasilnya lebih kecil dari arus fasa terbesar, sesuai batas untuk beban bersudut sama.

Langkah 3: ketidakseimbangan arus. $I_\text{rata} = 35/3 = 11{,}7$ A; simpangan terbesar $20 - 11{,}7 = 8{,}3$ A; $u_I = 100 \times 8{,}3/11{,}7 = 71$ %. Menukar posisi pemanas air dan mesin cuci tidak menolong, karena ketel uap 20 A sendirian melebihi jumlah dua beban lain. Perbaikan yang berarti adalah ketel uap tiga fasa atau memindahkan beban lain ke L2 dan L3.

Langkah 4: kasus B (mesin cuci pada tahap cuci). Pemanas mati dan motor bekerja; misalkan arusnya tetap 10 A dengan faktor daya 0,8 induktif, sehingga $\varphi_2 = \arccos 0{,}8 = 36{,}9^\circ$ dan sudut arusnya $-120^\circ - 36{,}9^\circ = -156{,}9^\circ$.

$$\bar{I}_2 = 10\angle -156{,}9^\circ = -9{,}20 - j3{,}93\ \text{A}$$$$\bar{I}_\text{N} = (20 - 9{,}20 - 2{,}5) + j(0 - 3{,}93 + 4{,}33) = 8{,}30 + j0{,}40\ \text{A}, \qquad I_\text{N} = 8{,}3\ \text{A}$$

Angka tang ampere sama dengan kasus A, tetapi arus netral turun dari 13,2 A ke 8,3 A karena arus L2 berputar mendekati arah berlawanan dengan arus L1.

Contoh kerja 2: tegangan pada tiap beban saat netral putus

Keadaan. Beban kasus A pada Contoh kerja 1 tetap bekerja ketika terminal netral masuk sub-PHB terlepas. Beban dimodelkan sebagai resistor tetap: $R_1 = 230/20 = 11{,}5$ Ω, $R_2 = 230/10 = 23$ Ω, $R_3 = 230/5 = 46$ Ω. Kenaikan resistansi karena suhu diabaikan.

Langkah 1: admitansi. $Y_1 = 0{,}0870$ S, $Y_2 = 0{,}0435$ S, $Y_3 = 0{,}0217$ S; $\sum Y = 0{,}1522$ S.

Langkah 2: pergeseran titik netral. Pembilang rumus Millman sama dengan arus netral normal $\bar{I}_\text{N} = 12{,}5 - j4{,}33$ A:

$$\bar{U}_\text{N'N} = \frac{12{,}5 - j4{,}33}{0{,}1522} = 82{,}1 - j28{,}5\ \text{V} = 86{,}9\angle -19{,}1^\circ\ \text{V}$$

Titik netral bergeser hampir 87 V ke arah L1, fasa terberat. Konduktor netral di sisi beban kini bertegangan sekitar 87 V terhadap bumi.

Langkah 3: tegangan tiap beban. Dengan $\bar{U}'_k = \bar{U}_\text{kN} - \bar{U}_\text{N'N}$, hitungan python memberi:

Daya relatif dihitung dengan $(U'/230)^2$ karena resistansi tetap. Pemanas air bekerja pada 171 % daya pengenalnya; papan kendali mesin cuci menerima 261 V, di atas batas +10 % (253 V) yang dibahas pada bab arus bolak-balik; ketel uap kekurangan daya. Arus fasa berubah menjadi 13,1 A, 11,3 A, dan 6,5 A: arus L1 turun, arus L2 dan L3 naik tetapi masih jauh di bawah arus pengenal MCB sirkitnya, sehingga tidak ada MCB yang trip.

Langkah 4: kasus ekstrem. Misalkan saat netral putus hanya ketel uap 4,6 kW di L1 dan papan kendali 20 W di L3 yang bekerja; L2 kosong. Resistansi setara papan kendali $230^2/20 = 2\,645$ Ω. Kedua beban seri melintasi tegangan antarfasa $\sqrt{3} \times 230 = 398{,}4$ V, sehingga papan kendali menerima $398{,}4 \times 2\,645/(2\,645 + 11{,}5) = 396{,}6$ V dan ketel uap hanya 1,7 V; rumus Millman memberi hasil sama. Papan kendali menerima hampir $\sqrt{3}\,U_0$, keadaan yang disebut PUIL 2020 442.3, dan netral di sisi beban bertegangan sekitar 229 V terhadap bumi.

Batas model. Motor yang tegangannya turun menarik arus lebih besar, catu daya elektronik menarik arus lebih kecil saat tegangannya naik, dan varistor pelindung dapat terhubung singkat. Angka tabel menunjukkan arah dan besaran kira-kira, bukan tegangan pasti.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus dan ketentuan yang sudah diuraikan di bab ini; angka keadaannya angka latihan, dan hitungannya dicatat di peta sumber pengembangan. Setiap pengukuran yang disebut dilakukan oleh personel kompeten dengan alat berkategori ukur yang sesuai dan APD.

Contoh 1: membagi ulang enam beban laundry hotel. Sub-PHB laundry sebuah hotel memasok enam beban satu fasa yang dianggap resistif: ketel uap setrika 4,6 kW, pemanas air 2,3 kW, mesin cuci pada tahap pemanasan 2,3 kW, setrika uap 1,84 kW, setrika tangan 1,38 kW, dan beban kecil 0,92 kW, yaitu 20, 10, 10, 8, 6, dan 4 A pada 230 V (angka latihan). Susunan lama menaruh dua MCB per fasa dan memberi 28, 16, dan 14 A.

$$u_I = 100 \times \frac{\max\left|I_k - I_\text{rata}\right|}{I_\text{rata}}\ \%, \qquad I_\text{N} = \sqrt{I_1^2 + I_2^2 + I_3^2 - I_1 I_2 - I_2 I_3 - I_3 I_1}$$

Rata-ratanya 19,3 A, sehingga $u_I$ = 45 % dan $I_\text{N}$ = 13,1 A. Langkah 4 metode di atas menaruh 20 A di L1, 10 dan 8 A di L2, serta 10, 6, dan 4 A di L3. Arus fasa menjadi 20, 18, dan 20 A, $u_I$ = 6,9 %, dan $I_\text{N}$ = 2,0 A. Jumlah MCB per fasa kini tidak sama, tetapi fasa terberat turun dari 28 A ke 20 A.

Contoh 2: menilai hasil ukur dapur rumah sakit. Pada jam masak puncak, arus fasa sirkit utama dapur sebuah rumah sakit terbaca 44, 40, dan 36 A; bebannya terutama pemanas (angka latihan). Rata-ratanya 40 A dan simpangan terbesar 4 A, sehingga $u_I = 100 \times 4/40 = 10$ %, tepat di target kerja editorial. Rumus besaran memberi $I_\text{N} = \sqrt{48} = 6{,}9$ A, yaitu 0,17 kali arus rata-rata. Target itu bukan norma; arus 44 A pada fasa terberat tetap dibandingkan dengan kemampuan kabel, pengaman, dan sambungan. Bila arus netral terukur jauh di atas 6,9 A, ada beban yang tidak resistif atau arus harmonik, sehingga rumus besaran tidak berlaku.

Contoh 3: pemanas dan motor kipas di dua fasa. Di ruang laundry sebuah hotel, pemanas 15 A berfaktor daya 1 bekerja di L1 dan motor kipas satu fasa yang hampir tanpa beban, 12 A berfaktor daya 0,5, bekerja di L3; L2 kosong (angka latihan). Arus motor tertinggal 60°, sehingga sudutnya $120^\circ - 60^\circ = 60^\circ$:

$$\bar{I}_\text{N} = 15\angle 0^\circ + 12\angle 60^\circ = 21{,}0 + j10{,}4\ \text{A}, \qquad I_\text{N} = 23{,}4\ \text{A}$$

Bila rumus besaran dipakai padahal sudut bebannya berbeda, hasilnya keliru: $\sqrt{225 + 144 - 180} = 13{,}7$ A. Arus netral 23,4 A melebihi arus fasa terbesar, padahal 431.2.1 mengandaikan arus netral tidak melebihi arus lin. Teknisi melaporkan temuan ini kepada perancang untuk menilai kemampuan hantar netral.

Contoh 4: ukuran netral sirkit beban elektronik. Sirkit tiga fasa ruang administrasi sebuah rumah sakit memasok lampu LED dan komputer dengan arus desain lin $I_\text{B}$ = 40 A dan konduktor lin tembaga 10 mm² (angka latihan). Bila distorsi harmonik ketiga terukur 25 %, netral sekurang-kurangnya sama dengan lin, yaitu 10 mm² (524.2.1). Bila terukur 40 %, netral kabel multiinti dipilih agar mampu menghantar arus berikut (524.2.2):

$$1{,}45 \times I_\text{B} = 1{,}45 \times 40 = 58\ \text{A}$$

Ukuran untuk 58 A dipilih perancang dari tabel kemampuan hantar arus. Teknisi memastikan netral terpasang tidak lebih kecil dari lin dan melaporkan netral yang panas.

Contoh 5: tegangan tak seimbang pada motor kipas pengering. Relai beban lebih motor kipas pengering di laundry hotel sering trip, dan tegangan antarfasa di terminal motor terbaca 402, 398, dan 380 V (angka latihan). Dengan definisi NEMA MG 1:

$$u_U = 100 \times \frac{\max\left|U_k - U_\text{rata}\right|}{U_\text{rata}} = 100 \times \frac{393{,}3 - 380}{393{,}3} = 3{,}4\ \%$$

Perkiraan kasar di atas memberi kenaikan suhu belitan sekitar $2 \times 3{,}4^2 \approx 23$ % dan ketidakseimbangan arus 6 sampai 10 kali, sekitar 20 sampai 34 %. Angka 3,4 % masih di bawah 5 %, tetapi pemanasan sebesar itu dapat membuat relai trip pada motor yang bekerja dekat beban penuh. Motor dihentikan sesuai kondisi berhenti butir 6, penyebabnya dicari (arus beban satu fasa per fasa, sambungan fasa, sekering tahap kapasitor), dan setelan relai tidak dinaikkan.

Kondisi berhenti

Hentikan pemakaian dan jangan melanjutkan pemeriksaan bertegangan bila salah satu keadaan berikut ditemukan:

1. Tegangan satu fasa terhadap netral naik bersamaan dengan turunnya tegangan fasa lain, atau lampu satu fasa terang-redup mengikuti beban di fasa lain. Keadaan ini dianggap netral putus sampai terbukti bukan, dan beban satu fasa dilepas dengan gawai yang memutus semua kutub sebelum pemeriksaan dilanjutkan.
2. Konduktor netral di hilir titik yang dicurigai putus dianggap bertegangan terhadap bumi. Konduktor itu tidak disentuh, dilepas, atau disambung ulang sebelum sirkit diisolasi dan diverifikasi bebas tegangan menurut prosedur kerja aman.
3. Terminal atau rel netral berubah warna, meleleh, berbau hangus, atau lebih panas dari terminal fasa. PHB dikeluarkan dari operasi; terminal tidak dikencangkan dalam keadaan bertegangan.
4. Orang merasakan kesemutan dari rangka mesin atau logam lain, atau alat ukur mendeteksi tegangan pada konduktor proteksi, yang dapat berarti PEN putus. Orang dijauhkan dari rangka mesin dan lantai basah, instalasi dikeluarkan dari operasi, dan operator jaringan dihubungi bila titiknya di sisi sambungan pelanggan.
5. Ditemukan sekering tunggal atau sakelar kutub tunggal pada netral. Gawai itu tidak dioperasikan dan dicatat untuk diganti oleh orang kompeten sesuai 2.9.3 dan 2.12.2.
6. Motor tiga fasa panas atau relai beban lebih sering trip dengan arus fasa yang jelas berbeda. Motor dihentikan dan ketidakseimbangan tegangan diperiksa; setelan relai tidak dinaikkan.
7. Peralatan yang sudah terkena tegangan lebih tidak dinyalakan ulang sebelum diperiksa.

Kerangka berpikir berhenti dibahas pada Bab 1 · Keselamatan, dan urutan diagnosis netral putus pada bab diagnosis instalasi.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Instalasi seimbang bila jumlah titik atau MCB di tiap fasa sama." Sebuah buku ajar instalasi membagi beban studi kasus dengan menghitung titik lampu dan kotak kontak per fasa. Keseimbangan ditentukan oleh arus pada pola operasi nyata; satu kotak kontak yang memasok setrika 2 kW menarik arus lebih besar daripada sepuluh titik lampu LED.

"Keseimbangan fasa cukup dinilai dari tegangan yang sama besar." Buku ajar yang sama menilai keseimbangan dari besar tegangan tiap fasa. Pada suplai yang kaku, arus dapat sangat tidak seimbang walaupun tegangannya hampir sama. Yang diukur adalah arus fasa dan arus netral.

"Voltmeter antarfasa normal berarti tegangan normal." Netral putus tidak mengubah tegangan antarfasa, sehingga voltmeter panel antara dua fasa, seperti yang dicontohkan buku ajar tadi, tidak memperlihatkannya.

"Arus netral dapat dihitung dari tiga angka tang ampere." Hanya bila ketiga beban bersudut impedansi sama; Contoh kerja 1 memberi 13,2 A atau 8,3 A dari angka fasa yang sama.

"RCD atau MCB akan memutus bila netral putus." Keduanya tidak mendeteksi tegangan lebih; arus beban berat turun, arus beban ringan naik tetapi tetap kecil, dan tidak ada arus sisa ke bumi.

"Sekering di netral menambah keamanan." PUIL 2020 2.9.3.1 melarangnya pada netral yang dibumikan langsung; sekering netral yang putus meninggalkan fasa bertegangan dan menimbulkan netral putus.

Hubungan dengan bab lain

Prasyaratnya: Bab 1 untuk pembagi tegangan resistif, bab arus bolak-balik untuk fasor dan batas +10 %, bab daya AC untuk faktor daya, dan bab sistem tiga fasa. Motor tiga fasa pada Bab 52 tidak memakai netral, sehingga tidak terpengaruh netral putus tetapi terpengaruh ketidakseimbangan tegangan. Lanjutannya: bab harmonisa, bab tang ampere, bab data motor lanjutan, bab proteksi motor, bab sistem pembumian TN, TT, dan IT, dan bab diagnosis instalasi. Di rak Laundry, bab washer-extractor menjelaskan beban motor dan pemanas mesin.

Latihan dan pembahasan

Tuliskan rumus, satuan, dan asumsi. Angka dalam soal adalah data latihan.

1. Pengukuran oleh personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD pada jam sibuk membaca arus L1 18 A, L2 14 A, dan L3 9 A. Semua beban resistif (setrika dan pemanas). Hitung arus netral dan $u_I$, lalu, bila di L1 ada satu setrika 920 W yang dapat dipindah, tentukan fasa tujuan yang paling memperbaiki keseimbangan.
2. Pada instalasi di pembuka bab, voltmeter antarfasa membaca 400, 399, dan 401 V. Mengapa kesimpulan "tegangan normal" keliru, dan pengukuran apa yang memperlihatkan masalahnya?
3. Netral sebuah sub-PHB putus ketika hanya dua beban bekerja: setrika 2,3 kW pada L1 dan beban 460 W pada L2 yang dianggap resistif; L3 kosong. Hitung tegangan dan daya pada beban 460 W.
4. Seorang teknisi mengusulkan MCB kutub tunggal tambahan pada netral sirkit satu fasa di instalasi TN-C-S "supaya netral juga terlindungi". Pilih jawaban: (a) boleh bila arus pengenalnya sama dengan MCB fasa; (b) tidak boleh, karena gawai kutub tunggal di netral yang dibumikan langsung dilarang, sedangkan gawai kutub banyak yang memutus fasa dan netral bersamaan diizinkan; (c) boleh asal sirkit dilindungi RCD. Jelaskan.
5. Pengukuran oleh personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD membaca tegangan antarfasa di terminal motor washer-extractor 404, 396, dan 389 V. Hitung persen ketidakseimbangan menurut NEMA MG 1, perkirakan kenaikan suhu belitan dan ketidakseimbangan arus dengan perkiraan kasar di atas, dan sebutkan yang diperiksa sebelum setelan relai beban lebih diubah.
6. Sirkit utama tiga fasa laundry memakai kabel tembaga 25 mm² dan memasok terutama setrika, mesin cuci satu fasa, dan lampu LED. Perancang mengusulkan netral 16 mm² karena "arus netral kecil". Apakah usulan itu sesuai PUIL 2020? Jelaskan.

Kunci jawaban beralasan

1. $I_\text{N} = \sqrt{18^2 + 14^2 + 9^2 - 18 \times 14 - 14 \times 9 - 9 \times 18} = \sqrt{61} = 7{,}8$ A. $I_\text{rata} = 41/3 = 13{,}7$ A; $u_I = 100 \times (18 - 13{,}7)/13{,}7 = 32$ %. Setrika 920 W menarik $920/230 = 4{,}0$ A. Memindahkannya dari L1 ke L3 memberi 14, 14, dan 13 A, dengan $I_\text{N} = \sqrt{1} = 1{,}0$ A dan $u_I = 100 \times 0{,}67/13{,}67 = 4{,}9$ %. Pemindahan dari L1 ke L2 memberi 14, 18, 9 A, yang hanya memindahkan masalah.
2. Netral putus menggeser titik netral beban tetapi tidak mengubah tegangan antarfasa, yang ditentukan sumber. Voltmeter antarfasa karena itu tetap membaca sekitar 400 V. Yang memperlihatkan masalah adalah tegangan tiap fasa terhadap netral di sisi beban: satu atau dua fasa tinggi, sisanya rendah, dan angkanya berubah mengikuti hidup-matinya beban. Pengukuran dilakukan oleh personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD, dan keadaan ini memenuhi kondisi berhenti butir 1.
3. $R_1 = 230^2/2\,300 = 23$ Ω; $R_2 = 230^2/460 = 115$ Ω. Tanpa netral dan dengan L3 kosong, kedua beban seri melintasi $U_{12} = 398$ V. $U_2 = 398 \times 115/(23 + 115) = 332$ V; $U_1 = 398 - 332 = 66$ V. Daya beban 460 W menjadi $332^2/115 = 958$ W, sekitar 2,1 kali pengenalnya. Beban ringan menerima tegangan tinggi karena resistansinya lebih besar, sesuai pergeseran titik netral ke arah beban berat.
4. Jawaban (b). PUIL 2020 2.9.3.1 melarang sekering di netral yang dibumikan langsung, dan 2.12.2 melarang sakelar atau pemutus sirkit beroperasi pada netral sirkit yang netralnya dibumikan langsung, kecuali gawai kutub banyak dengan kontak netral atau gawai yang menjamin netral tidak terbuka sementara fasa tertutup. Pilihan (a) keliru karena kesamaan arus pengenal tidak mencegah netral terbuka sendirian. Pilihan (c) keliru karena RCD tidak mencegah fasa tetap bertegangan saat netral terbuka.
5. Rata-rata $(404 + 396 + 389)/3 = 396{,}3$ V; simpangan terbesar $404 - 396{,}3 = 7{,}7$ V (lebih besar dari $396{,}3 - 389 = 7{,}3$ V); ketidakseimbangan $100 \times 7{,}7/396{,}3 = 1{,}9$ %. Perkiraan kasar: kenaikan suhu belitan sekitar $2 \times 1{,}9^2 \approx 7$ sampai 8 % dan ketidakseimbangan arus 6 sampai 10 kali, yaitu sekitar 12 sampai 19 %. Ketidakseimbangan tegangan 1,9 % itu di bawah batas operasi 5 %, tetapi motor yang bekerja dekat beban penuh tetap dapat panas. Sebelum menyentuh setelan relai, periksa penyebabnya (pengukuran oleh personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD): arus beban satu fasa per fasa, sambungan fasa yang longgar, dan sekering tahap kapasitor.
6. Tidak sesuai. Netral lebih kecil pada sirkit di atas 16 mm² tembaga hanya diizinkan bila beban dalam layanan normal seimbang dan harmonik ketiga tidak lebih dari 15 %, netral diproteksi arus lebih, dan netral tidak kurang dari 16 mm² (524.2.3). Beban laundry yang didominasi beban satu fasa tidak seimbang, dan lampu LED serta catu elektronik menambah harmonik. Netral dibuat 25 mm², sama dengan lin; menurut 523.6.2 netral dipilih berdasarkan arus lin tertinggi.

Referensi