Pembumian, konduktor proteksi, dan ikatan ekuipotensial

Operator sebuah laundry tiga pintu tersentak saat menyentuh rangka mesin cuci komersial, lalu RCD (gawai proteksi arus sisa, GPAS) di PHB memutus. Investigasi menemukan dua kesalahan yang bertumpuk. Konduktor hijau-kuning sirkit mesin itu sudah putus di dalam konduit sejak pemasangan ulang dua tahun sebelumnya, dan insulasi kabel di kotak terminal motor sudah tembus ke rangka. Karena PE putus, gangguan itu tidak mengalirkan arus, sehingga MCB dan RCD diam sementara rangka bertegangan mendekati 230 V selama waktu yang tidak diketahui. Arus baru mengalir ketika tubuh operator menjadi jalur ke bumi, dan RCD sebagai proteksi tambahan menjadi satu-satunya lapis yang tersisa. Proteksi gangguan yang dirancang, yaitu PE dan pemutusan otomatis, sudah hilang tanpa gejala.

Uraian berikut membahas komponen fisik sistem proteksi kejut: elektrode pembumian, konduktor pembumian, konduktor proteksi (PE), dan ikatan ekuipotensial. Bab sistem pembumian TN, TT, dan IT membahas arsitektur sistem dari sisi jalur arus gangguan dan hubungan titik netral ke tanah. Bab uji pembumian, impedansi lingkar, dan uji RCD membahas metode verifikasi setelah instalasi selesai. Yang tersisa di antara keduanya adalah memilih, memasang, dan menilai komponen yang membuat proteksi itu berfungsi.

Batas pembahasan

Cakupannya instalasi 230/400 V, 50 Hz, bersistem TN-C-S atau TT, dengan contoh laundry dan bengkel kecil. Syarat waktu pemutusan dibahas pada bab proteksi kejut listrik, metode ukur pada bab uji pembumian, dan pembumian mesin pada bab pemasangan lapangan mesin. PUIL 2020 Bagian 5-54 tidak ada di salinan korpus, sehingga ketentuannya ditulis dari IEC 60364-5-54:2011+AMD1:2021 dan PUIL 2000 dengan penanda cadangan; klausul PUIL 2020 padanannya belum diverifikasi. Uraian ini bahan belajar, bukan instruksi kerja; pekerjaan pada PE, konduktor pembumian, dan ikatan dilakukan pada instalasi yang dibebaskan dan diverifikasi bebas tegangan menurut Bab 2 · Keselamatan.

Elektrode pembumian: jenis, tanah, dan musim

Elektrode pembumian adalah komponen logam yang dikubur atau ditanamkan ke dalam tanah untuk menciptakan hubungan listrik antara instalasi dan bumi. PUIL 2020 Bagian 1 mendefinisikan elektrode batang, pita, pelat, dan elektrode bumi fondasi, dan IEC 60364-5-54 memuat jenis yang sama beserta ukuran minimumnya. Setiap jenis memiliki geometri yang menentukan luas kontak efektif dengan tanah, dan geometri itulah bersama resistivitas tanah yang mengendalikan resistansi pembumian.

Elektrode batang vertikal adalah pilihan paling umum di lingkungan laundry dan bengkel ringan karena pemasangannya relatif cepat: batang baja berlapis tembaga dipancangkan tegak lurus ke dalam tanah. PUIL 2000 memberi ukuran minimum batang baja berlapis tembaga berdiameter 15 mm dengan lapisan 250 µm (PUIL 2000, sebagai rujukan cadangan). Elektrode pita digelar horizontal sejajar permukaan pada kedalaman 0,5–1 m (PUIL 2000, sebagai rujukan cadangan), sehingga menjadi pilihan di tanah berbatu yang tidak dapat ditembus batang panjang. Pelat tembaga atau besi ditanam tegak dengan sisi atas sekurang-kurangnya 1 m di bawah permukaan; untuk resistansi yang sama, pelat memerlukan bahan lebih banyak daripada pita atau batang (PUIL 2000, sebagai rujukan cadangan). Elektrode fondasi memanfaatkan konduktor atau tulangan di dalam beton fondasi sehingga paling ekonomis untuk bangunan baru, tetapi memerlukan perencanaan sejak tahap konstruksi dan tidak dapat diinspeksi secara visual setelah beton mengeras. Syarat bahan dan uji elektrode untuk sistem proteksi petir diatur IEC 62561-2:2025, yang dibahas pada bab tegangan lebih, proteksi surja, dan proteksi petir.

Angka tabel adalah nilai tipikal (PUIL 2000, sebagai rujukan cadangan); nilai aktual harus diukur di lokasi. Resistivitas tanah berubah besar dengan kadar air. Pada musim kemarau panjang, lapisan tanah permukaan mengering, sehingga resistansi elektrode yang pendek dapat naik beberapa kali lipat dibandingkan musim hujan; bab uji pembumian mencatat contoh korpus tentang tanah merah yang resistivitasnya naik sampai 30 kali saat kadar air turun dari 20 % ke 10 %. Karena itu ujung bawah batang sebaiknya mencapai lapisan yang kadar airnya stabil, yang diketahui dari pengukuran pada musim berbeda. Bila diperlukan beberapa batang, jarak antarbatang sekurang-kurangnya dua kali panjangnya (PUIL 2000 3.19.1.4, sebagai rujukan cadangan).

Rumus pendekatan resistansi elektrode

Rumus pendekatan resistansi elektrode berlaku hanya pada tanah homogen, elektrode tunggal jauh dari elektrode lain, dan tanah yang padat di sekitar elektrode. Di luar kondisi itu hasilnya estimasi awal yang wajib diverifikasi dengan pengukuran.

$$R = \frac{\rho}{2\pi L}\left[\ln\!\left(\frac{8L}{d}\right) - 1\right]$$

dengan $R$ resistansi elektrode batang (Ω), $\rho$ resistivitas tanah (Ω·m), $L$ panjang batang yang tertanam (m), dan $d$ diameter batang (m). Bentuk yang sama sering ditulis $\ln(4L/a) - 1$ dengan $a$ jari-jari batang. Batas berlakunya: $L \gg d$, tanah homogen, dan seluruh panjang batang tertanam. Untuk batang Ø15 mm di tanah 100 Ω·m, rumus ini memberi sekitar 48 Ω (2 m) dan 34 Ω (3 m), dekat dengan 40 Ω dan 30 Ω pada Tabel 3.18-2 PUIL 2000 (sebagai rujukan cadangan).

Dari rumus ini terlihat bahwa $R$ berbanding lurus dengan $\rho$ dan turun sedikit lebih lambat daripada $1/L$ karena suku logaritma. Menggandakan panjang batang Ø16 mm dari 1,5 m menjadi 3 m menurunkan resistansi sekitar 44 %, bukan separuh. Sebaliknya, pada batang 3 m, menggandakan diameter dari 15 mm menjadi 30 mm hanya menurunkan resistansi sekitar 11 % karena $d$ berada di dalam fungsi logaritma.

Untuk $n$ batang identik yang jaraknya cukup besar, resistansi gabungan sering didekati dengan

$$R_\text{total} \approx \frac{R_\text{satu batang}}{n}$$

Rumus ini memberikan hasil terlalu optimistis karena mengabaikan resistansi bersama (mutual resistance) antarelektrode: daerah resistansi setiap batang saling tumpang tindih, sehingga resistansi aktual lebih tinggi dari perkiraan, dan selisihnya makin besar bila jarak kurang dari dua kali panjang batang. Oleh karena itu, jumlah batang yang dihitung ditambah margin dan hasilnya tetap diverifikasi dengan pengukuran.

Terminal pembumian utama dan konduktor pembumian

Terminal pembumian utama (main earthing terminal, MET) adalah titik pengumpul di dalam instalasi tempat konduktor pembumian, konduktor PE, dan konduktor ikatan ekuipotensial utama dihubungkan; catatan 411.3.1.2 merujuk 542.4.1 Bagian 5-54 untuk daftar hubungannya. Pada konduktor pembumian dipasang sambungan yang mudah dicapai dan dapat dilepas dengan alat untuk mengukur resistansi elektrode (PUIL 2000 3.19.2.5 dan 3.19.2.8, sebagai rujukan cadangan; padanan IEC 60364-5-54). Konduktor yang menghubungkan MET ke elektrode disebut konduktor pembumian; konduktor ini harus terlindung dari kerusakan mekanis dan korosi, dan tidak boleh ada sakelar di sepanjang jalurnya (PUIL 2000 3.19.2.8, sebagai rujukan cadangan).

Tabel 54.1 BS 7671, penerapan nasional Inggris dari IEC 60364-5-54, memberi ukuran minimum konduktor pembumian yang tertanam di tanah: 25 mm² tembaga atau 50 mm² baja bila tidak terlindung dari korosi, 16 mm² bila terlindung dari korosi tetapi tidak terlindung mekanis, dan 2,5 mm² tembaga bila terlindung dari keduanya (sekunder; kesamaan dengan tabel IEC belum dicek). Angka 16 mm² di PUIL 2020 Bagian 9, 9.9.2.3, berlaku untuk konduktor pembumian kerja yang dipasang sementara pada peralatan yang sedang dikerjakan, bukan untuk konduktor pembumian instalasi. Sambungannya harus dapat diinspeksi dan tahan arus gangguan, dan sambungan di dalam tanah dilindungi terhadap korosi (PUIL 2000 3.19.2.7, sebagai rujukan cadangan).

Konduktor proteksi: tabel, rumus adiabatik, dan kontinuitas

Konduktor PE menghubungkan semua bagian konduktif terbuka (BKT) peralatan ke MET, dan PUIL 2020 411.3.1.1 mewajibkan setiap sirkit membawa konduktor proteksi yang dihubungkan ke terminal pembumian yang relevan, dengan konduktor yang sesuai Bagian 5-54. Menurut IEC 60364-5-54, ukurannya ditentukan dengan salah satu dari dua cara: memilih dari tabel berdasarkan ukuran konduktor fasa, atau menghitung dengan rumus adiabatik yang memperhitungkan arus gangguan dan waktu pemutusan. Tabel lebih sederhana dan umumnya memberi ukuran lebih besar; perhitungan boleh menghasilkan ukuran lebih kecil, tetapi PE yang lebih kecil menaikkan impedansi lingkar, sehingga syarat pemutusan otomatis diperiksa ulang dengan PE hasil hitungan itu.

Tabel ini berdasarkan IEC 60364-5-54 dan dipakai juga pada bab pemasangan lapangan mesin; klausul PUIL 2020 padanannya belum diverifikasi. PE yang tidak menjadi bagian dari kabel atau selungkup yang sama sekurang-kurangnya 2,5 mm² tembaga bila terlindung mekanis dan 4 mm² bila tidak.

$$S = \frac{\sqrt{I^2\,t}}{k}$$

dengan $S$ luas penampang minimum PE (mm²), $I$ nilai efektif arus gangguan prospektif untuk gangguan berimpedansi dapat diabaikan (A), $t$ waktu pemutusan gawai proteksi (s), dan $k$ faktor bahan konduktor, insulasi, serta suhu awal dan akhir ($\text{A}\cdot\text{s}^{1/2}/\text{mm}^2$). Untuk PE tembaga yang menjadi inti kabel berinsulasi PVC (suhu awal 70 °C, suhu akhir 160 °C), $k = 115$; untuk konduktor tembaga berinsulasi PVC yang terpisah dari kabel (suhu awal 30 °C), $k = 143$. Rumus berlaku untuk waktu pemutusan sampai 5 s. Bila waktu pemutusan di bawah 0,1 s atau gawainya membatasi arus, nilai $I^2t$ lolos dari data gawai dipakai sebagai pengganti $I^2 t$.

Kontinuitas konduktor PE harus dapat diverifikasi dari setiap terminal peralatan kembali ke MET. Pengukuran kontinuitas dilakukan dengan alat uji menurut IEC 61557-4 dalam kondisi instalasi tidak bertegangan, oleh personel kompeten, dengan metode yang diuraikan pada bab uji pembumian. Resistansi yang terukur harus konsisten dengan panjang dan penampang konduktor; kenaikan yang tidak dapat dijelaskan menunjuk sambungan longgar, patah tersembunyi, atau korosi pada konektor.

Ikatan ekuipotensial utama dan tambahan

Ikatan ekuipotensial membuat bagian konduktif yang dapat disentuh bersamaan berada pada potensial yang hampir sama. PUIL 2020 411.3.1.2 meminta, pada setiap gedung, bagian logam saluran masuk yang dapat menimbulkan beda potensial berbahaya dihubungkan ke terminal pembumian utama: pipa yang menyuplai layanan ke dalam gedung (gas, air, pemanas), bagian konduktif ekstra (BKE, extraneous conductive part) struktural, dan tulangan beton yang dapat diakses. Bagian yang berasal dari luar gedung diikat sedekat mungkin dengan titik masuknya, dan pipa logam yang memiliki bagian insulasi di titik masuk tidak perlu diikat.

Ikatan ekuipotensial tambahan (istilah PUIL 2020: ikatan ekuipotensial proteksi suplemen) menghubungkan BKT peralatan magun dan BKE yang dapat disentuh bersamaan, dan disambung ke konduktor proteksi semua peralatan (415.2.1). Ikatan ini wajib bila pemutusan otomatis tidak tercapai dalam waktu yang disyaratkan (411.3.2.6) dan dipakai sebagai proteksi tambahan di lokasi berisiko sentuh tinggi karena air atau lantai yang resistansinya rendah. Bila ikatan suplemen dipakai di ruang basah laundry, rangka mesin cuci, mesin pengering, meja setrika logam, dan lantai logam berlubang (jika ada) yang dapat disentuh bersamaan diikat satu sama lain dan ke PE. Tujuannya agar beda potensial di antara dua permukaan yang disentuh bersamaan tetap di bawah ambang bahaya. Resistansi $R$ antara BKT dan BKE yang dapat disentuh bersamaan memenuhi $R \le 50\ \text{V}/I_\text{a}$ untuk AC, dengan $I_\text{a}$ sama dengan $I_{\Delta\text{n}}$ untuk RCD atau arus yang memutus gawai arus lebih dalam 5 s (415.2.2; rumusnya kosong di salinan PUIL korpus, bentuknya mengikuti IEC 60364-4-41). Penerapannya pada mesin dibahas pada bab pemasangan lapangan mesin, dan lokasi basah pada bab ruang basah.

Pipa air dan pipa uap. Pipa logam dari luar diikat ke MET dekat titik masuknya. Pipa plastik tidak memerlukan ikatan, dan potongan logam pendek di dalam pipa plastik umumnya bukan BKE karena tidak membawa potensial dari luar. Pada laundry yang menggunakan ketel uap, perpipaan uap logam yang dapat disentuh bersamaan dengan rangka mesin termasuk BKE yang diikat, termasuk bagian yang terputus oleh selang karet; rinciannya dibahas pada bab pemasangan lapangan mesin.

Rangka mesin industri ringan. Setiap mesin dengan rangka logam yang dapat disentuh terhubung ke PE melalui terminal PE yang disediakan pabrikan, dan ikatan di dalam mesin menjadi tanggung jawab pabrikan, seperti dibahas pada bab pemasangan lapangan mesin. Mesin kelas I tanpa terminal PE yang teridentifikasi tidak disambung ke suplai sampai pabrikan atau pemasok memberi titik sambung yang sah. Ikatan ke rangka bersuspensi dibuat fleksibel dan tidak mengandalkan engsel atau gasket karet sebagai jalur listrik.

Lantai logam dan struktur konduktif. Lantai logam berlubang, rak logam, dan kerangka meja logam di area basah diikat ke sistem PE dengan konduktor tembaga fleksibel berinsulasi hijau-kuning yang disambungkan ke titik yang bebas dari cat atau lapisan oksida dengan konektor mekanis yang dapat diinspeksi. Permukaan kontak dibersihkan dan dilindungi dari korosi.

Konduktor ikatan utama sekurang-kurangnya separuh penampang konduktor PE terbesar instalasi, minimum 6 mm² tembaga, dan tidak perlu melebihi 25 mm² tembaga. Konduktor ikatan suplemen antara dua BKT sekurang-kurangnya sama dengan PE yang lebih kecil, dan antara BKT dan BKE sekurang-kurangnya separuh PE yang bersangkutan, dengan minimum 2,5 mm² bila terlindung mekanis dan 4 mm² bila tidak (IEC 60364-5-54; angka belum dicek pada teks standar). Konduktor ikatan diidentifikasi dengan warna loreng hijau-kuning, yang menurut PUIL 2020 5210.1.2 hanya boleh dipakai untuk konduktor pembumian, konduktor proteksi, dan konduktor ikatan ekuipotensial ke bumi.

Kesalahan fatal pada PE dan ikatan

Kesalahan pada sistem PE tidak bergejala dalam kondisi normal; gejalanya baru muncul saat gangguan, yaitu saat yang paling berbahaya.

PE digulung, dipotong, atau tidak disambung. Konduktor PE yang dipendekkan untuk kemudahan pemasangan, atau yang ujungnya tidak disambungkan ke terminal PE peralatan karena "tidak ada tempat", membuat proteksi gangguan peralatan itu tidak berfungsi. PE harus menerus sampai MET dengan terminasi yang dapat diperiksa.

Netral dipakai sebagai PE. Menjembatani netral ke terminal PE pada kotak kontak atau peralatan di sirkit akhir membuat arus beban kembali melalui rangka peralatan. Tegangan jatuh netral muncul di rangka dan berubah mengikuti beban; bila netral itu putus, rangka naik mendekati tegangan fasa melalui beban. Arus gangguan ke rangka kembali lewat netral yang melewati RCD, sehingga RCD tidak melihatnya sebagai arus sisa. Kesalahan ini tercatat di korpus sebagai penyebab tidak laik operasi. Konduktor PEN yang sah hanya ada pada instalasi magun dengan syarat Bagian 5-54 (411.4.3), ditandai hijau-kuning dengan biru muda di terminasinya (514.3.2), dan tidak boleh dipakai setelah PHB kecuali untuk sirkit masuk.

N dan PE dihubungkan di PHB cabang. Menghubungkan busbar N dan PE di PHB cabang membuat PE di hulunya membawa sebagian arus netral, seolah-olah menjadi PEN. Rangka dan pipa yang terikat pada PE ikut bertegangan, dan RCD di hulu jembatan melihat arus yang kembali lewat PE sebagai arus sisa, sehingga memutus setiap kali beban besar menyala. Sebaliknya, arus gangguan ke rangka di hilir jembatan sebagian kembali lewat N melalui RCD, sehingga kepekaannya berkurang. PUIL 2020 411.4.3 melarang PEN setelah PHB kecuali untuk sirkit masuk, dan ketentuan pemisahan dalam IEC 60364-5-54 melarang N dan PE yang sudah dipisah dihubungkan kembali (PUIL 2000 3.13.2.8.3, sebagai rujukan cadangan). Pengikatan N-PE tepat satu, di titik pemisahan pada awal instalasi, atau di dalam meter kWh prabayar satu fasa, yang menurut 790.29 Catatan 2 membuat N dan PE tidak boleh dihubungkan lagi di PHB pelanggan.

Pembumian fungsional memakai hijau-kuning. Pembumian fungsional menyediakan tegangan acuan pada sekitar potensial bumi agar peralatan elektronik berfungsi, bukan untuk proteksi kejut. PUIL 2020 444.5.5 menyatakan warna konduktor pembumian fungsional tidak ditentukan, tetapi hijau-kuning yang ditentukan untuk konduktor proteksi tidak boleh digunakan, dan merekomendasikan satu warna yang sama di seluruh instalasi untuk menandainya di setiap ujung. Mencampurkan keduanya mengacaukan identifikasi saat inspeksi dan pemeliharaan.

Angka ohm: kapan relevan dan mengapa bukan syarat tunggal pada TN

Relevansi angka ohm bergantung pada sistem pembumian yang digunakan.

Sistem TT: resistansi elektrode relevan. Pada sistem TT, jalur arus gangguan melalui elektrode pembumian instalasi dan tanah menuju pembumian titik netral sumber. Gawai arus lebih saja tidak boleh dipakai sebagai proteksi gangguan pada TT (411.5.4) karena impedansi lingkar yang tinggi membatasi arus gangguan. RCD umumnya harus digunakan (411.5.2), dan resistansi elektrode lokal $R_\text{A}$, ditambah konduktor proteksinya, menjadi masukan syarat $R_\text{A} \times I_{\Delta\text{n}} \le 50$ V (411.5.3). Angka ini diukur ulang pada musim kering karena $R_\text{A}$ berubah dengan kadar air tanah.

Sistem TN: impedansi lingkar yang menentukan. Pada sistem TN (TN-S atau TN-C-S), konduktor PE terhubung ke titik netral sumber yang dibumikan. Arus gangguan mengalir melalui jalur logam (fasa, titik gangguan, PE atau PEN, netral sumber), bukan melalui tanah, sehingga resistansi elektrode instalasi hampir tidak berpengaruh pada besar arus gangguan. Yang menentukan kecepatan pemutusan adalah impedansi lingkar gangguan fasa-PE, $Z_\text{s}$, dengan syarat $Z_\text{s} \times I_\text{a} \le U_0$ (411.4.4). Elektrode instalasi tetap bermakna saat PEN putus di hulu titik pemisahan, karena elektrode itu membatasi kenaikan potensial PE, seperti dihitung pada bab sistem pembumian. Pembumian PEN di banyak titik dan syarat $R_\text{B}/R_\text{E} \le 50/(U_0 - 50)$ dalam catatan 411.4.1 adalah kondisi di luar instalasi yang menjadi tanggung jawab perusahaan jaringan.

Nilai 5 Ω pada PUIL 2000 3.13.2.10, dengan 10 Ω di tanah beresistivitas sangat tinggi, adalah resistansi pembumian total seluruh sistem PEN jaringan saluran udara, bukan syarat umum untuk setiap elektrode pembumian instalasi; untuk TT, PUIL 2000 3.15.2.1 menganjurkan $R_\text{A}$ tidak melebihi 100 Ω (PUIL 2000, sebagai rujukan cadangan). Pengukuran resistansi elektrode (IEC 61557-5) dan impedansi lingkar dibahas pada bab uji pembumian.

Contoh kerja: memilih PE dan menilai elektrode di tanah liat

Data berikut ilustrasi, sistem TN-C-S 230/400 V, 50 Hz; label mengikuti IEC 81346-2.

Contoh 1: memilih ukuran PE untuk sirkit berkonduktor fasa 25 mm²

Situasi. Sebuah mesin cuci komersial besar disuplai sirkit tembaga berinsulasi PVC dengan konduktor fasa 25 mm², dilindungi MCB -F1 kurva B 63 A. Arus gangguan fasa-PE yang dihitung pada titik terjauh adalah 450 A. Tentukan ukuran minimum PE dengan kedua cara, lalu pilih.

1. Periksa waktu pemutusan. Alasan: rumus adiabatik memerlukan $t$. Pelepasan seketika kurva B dipastikan pada ujung atas pitanya, $I_\text{a} = 5 \times 63 = 315$ A (IEC 60898-1). Arus 450 A di atas 315 A, sehingga -F1 memutus di daerah seketika, jauh di bawah 0,4 s; $t = 0{,}4$ s dipakai sebagai batas atas yang aman. Sirkit akhir 63 A yang hanya menyuplai peralatan magun sebenarnya berada di luar 411.3.2.2 (batasnya 32 A), sehingga 411.3.2.3 mengizinkan sampai 5 s; pemutusan seketika memenuhi keduanya. Impedansi lingkar $230/450 = 0{,}51$ Ω juga di bawah $230/315 = 0{,}73$ Ω.
2. Cara tabel. Konduktor fasa 25 mm² masuk dalam rentang $16 < S \le 35$ mm², sehingga PE minimum 16 mm².
3. Cara rumus adiabatik. Alasan: memeriksa kemampuan termal PE terhadap arus gangguan yang sebenarnya.

$$S = \frac{\sqrt{450^2 \times 0{,}4}}{115} = \frac{\sqrt{81\,000}}{115} = \frac{284{,}6}{115} \approx 2{,}47\ \text{mm}^2$$

dengan $k = 115$ untuk PE tembaga berinsulasi PVC yang menjadi inti kabel. 4. Keputusan. Cara tabel memberi 16 mm²; cara adiabatik mengizinkan penampang standar 2,5 mm² dari sisi termal. PE yang lebih kecil tidak otomatis boleh dipakai: $Z_\text{s} = 0{,}51$ Ω di atas berasal dari PE 16 mm². Bila sirkit sepanjang sekitar 70 m (hitung balik dengan ρ 0,0225 Ω·mm²/m dan $Z_\text{e}$ 0,35 Ω, ilustrasi) memakai PE 2,5 mm², $Z_\text{s}$ naik menjadi sekitar 1,04 Ω dan arus gangguan turun ke sekitar 221 A, di bawah 315 A, sehingga pemutusan seketika tidak terjamin. Bila pemutusan jatuh ke daerah termal selama beberapa detik, $t$ pada rumus adiabatik ikut naik; untuk 5 s saja, 2,5 mm² sudah kurang ($\sqrt{221^2 \times 5}/115 \approx 4{,}3$ mm²). PE yang dipilih 16 mm²: syarat termal dan syarat pemutusan sama-sama terpenuhi tanpa perhitungan ulang.

Contoh 2: menilai rencana elektrode di tanah liat

Situasi. Sebuah laundry komersial akan memasang dua batang elektrode vertikal panjang 2 m, diameter 16 mm, di tanah liat dengan resistivitas diperkirakan 80 Ω·m (ilustrasi). Jarak antarbatang direncanakan 3 m. Cukupkah jarak itu, dan berapa perkiraan resistansi satu batang dan dua batang?

1. Periksa jarak antarbatang. Jarak minimum $2 \times 2 = 4$ m. Jarak yang direncanakan hanya 3 m, sehingga tidak memenuhi syarat dan ditambah menjadi sekurang-kurangnya 4 m (PUIL 2000 3.19.1.4, sebagai rujukan cadangan).
2. Hitung resistansi satu batang. Dengan $d = 0{,}016$ m, $L = 2$ m, dan $\rho = 80$ Ω·m:

$$R = \frac{80}{2\pi \times 2}\left[\ln\!\left(\frac{8 \times 2}{0{,}016}\right) - 1\right] = 6{,}366 \times (6{,}908 - 1) \approx 37{,}6\ \Omega$$

3. Hitung dua batang paralel setelah jarak diperbaiki. $R_\text{total} \approx 37{,}6/2 \approx$ 18,8 Ω (ilustrasi, optimistis karena mengabaikan resistansi bersama). Nilai aktual lebih tinggi dan diverifikasi dengan pengukuran menurut IEC 61557-5 sebelum instalasi dinyatakan siap beroperasi.
4. Tafsir. Pada TN-C-S angka ini bukan kriteria pemutusan. Pada TT dengan RCD 30 mA, $18{,}8 \times 0{,}030 = 0{,}56$ V ≤ 50 V, sehingga 411.5.3 terpenuhi walaupun jauh di atas "5 Ω".

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. Pengukuran dilakukan personel kompeten dengan alat menurut seri IEC 61557 dan metode Bab 18 tentang uji pembumian, dan pekerjaan pada PE, konduktor pembumian, dan ikatan dilakukan pada instalasi yang dibebaskan dan diverifikasi bebas tegangan menurut Bab 2 · Keselamatan.

Contoh 1: ikatan suplemen di ruang setrika laundry rumah sakit. Di ruang setrika laundry sebuah rumah sakit, rangka setrika gulung dan pipa uap logam dapat disentuh bersamaan, sehingga keduanya diikat. Sirkit setrika dilindungi MCB kurva B 16 A dan RCD 30 mA (angka latihan). Batas resistansi ikatannya menurut 415.2.2:

$$R \le \frac{50}{I_{\Delta\text{n}}} = \frac{50}{0{,}030} = 1\,667\ \Omega, \qquad R \le \frac{50}{I_\text{a}} = \frac{50}{5 \times 16} = 0{,}625\ \Omega$$

Nilai kedua memakai ujung atas pita seketika B16, yang pasti memutus jauh di bawah 5 s. Hasil ukur 0,35 Ω (angka latihan) memenuhi keduanya. Bila ikatan hanya bersandar pada MCB, batas 0,625 Ω yang berlaku, jadi hasil ukur itu dicatat sebagai acuan pemeriksaan berkala.

Contoh 2: ukuran konduktor ikatan di hotel dan laundry. Pengumpan utama sebuah hotel berfasa 70 mm² (angka latihan), sehingga PE terbesarnya $70/2 = 35$ mm² menurut tabel PE. Konduktor ikatan utama sekurang-kurangnya separuhnya, 17,5 mm², jadi dipakai 25 mm², yang sekaligus batas atas yang diperlukan. Pada laundry kecil dengan PE terbesar 10 mm², separuhnya 5 mm², sehingga minimum 6 mm² yang berlaku. Untuk ikatan suplemen, rangka mesin cuci ber-PE 6 mm² ke pipa uap (BKE) memerlukan sekurang-kurangnya 3 mm², yang naik menjadi 4 mm² bila tidak terlindung mekanis; rangka mesin cuci ke rangka pengering ber-PE 4 mm² (dua BKT) memerlukan 4 mm². Angka ukuran ikatan ini belum dicek pada teks standar, seperti dicatat pada bagian ikatan.

Contoh 3: elektrode TT rumah pompa hotel pada musim kering. Rumah pompa sebuah hotel memakai sistem TT dengan RCD masukan 300 mA. Resistansi elektrodenya terukur 60 Ω pada musim hujan dan 240 Ω pada akhir kemarau (angka latihan). Syarat 411.5.3:

$$60 \times 0{,}3 = 18\ \text{V} \le 50\ \text{V}, \qquad 240 \times 0{,}3 = 72\ \text{V} > 50\ \text{V}$$

Hasil musim hujan menyesatkan: untuk RCD 300 mA, $R_\text{A}$ paling besar $50/0{,}3 = 166{,}7$ Ω. Dengan RCD 30 mA, 240 Ω memberi 7,2 V dan lolos, tetapi masih di atas anjuran 100 Ω pada PUIL 2000 (sebagai rujukan cadangan). Karena proteksi gangguan sirkit yang hanya dilindungi RCD 300 mA tidak terpenuhi, keputusan perbaikannya diserahkan kepada perancang atau penanggung jawab instalasi.

Contoh 4: memperbaiki elektrode rumah pompa. Elektrode Contoh 3 adalah batang tunggal 2 m berdiameter 16 mm. Dengan rumus pendekatan dan anggapan tanah homogen, resistivitas semu tanah pada kemarau sekitar 510 Ω·m. Batang 3 m di tanah itu memberi:

$$R = \frac{510}{2\pi \times 3}\left[\ln\!\left(\frac{8 \times 3}{0{,}016}\right) - 1\right] \approx 27{,}1 \times 6{,}31 \approx 171\ \Omega$$

Nilai itu masih di atas 166,7 Ω. Dua batang 3 m berjarak sekurang-kurangnya 6 m memberi perkiraan optimistis $171/2 \approx 85{,}5$ Ω, sehingga $85{,}5 \times 0{,}3 = 25{,}6$ V, dan nilainya di bawah anjuran 100 Ω. Karena resistansi bersama diabaikan, hasil itu baru diterima setelah diukur ulang pada musim kering menurut IEC 61557-5.

Kondisi berhenti

1. Sambungan PE, konduktor pembumian, atau konduktor ikatan tidak dilepas pada instalasi yang masih bertegangan. Untuk uji kontinuitas atau penggantian konduktor, sumber dimatikan, dikunci, dan diverifikasi bebas tegangan menurut Bab 2 · Keselamatan. Konduktor pembumian pada TN-C-S dapat membawa arus dari PEN jaringan walaupun instalasi sendiri dibebaskan, sehingga arusnya diukur lebih dulu oleh personel kompeten dengan tang berkategori ukur sesuai dan APD, dan pelepasan ditunda bila arus masih terukur.
2. Arus yang terdeteksi mengalir di konduktor PE atau konduktor ikatan pada kondisi operasi normal dianggap sebagai indikasi gangguan sampai terbukti sebaliknya melalui pengukuran yang terdokumentasi. Penyebabnya dapat jembatan N-PE di hilir, kebocoran isolasi, atau sambungan yang salah. Arus konduktor proteksi yang wajar dari filter EMC (bab RCD) hanya diterima sebagai penjelasan setelah besarnya diukur dan cocok dengan data peralatan. Investigasi dilakukan oleh personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD sebelum instalasi dioperasikan kembali.
3. Mesin atau peralatan kelas I yang kontinuitas PE-nya belum terbukti, atau yang rangkanya dilaporkan menyengat, tidak dienergikan atau dioperasikan kembali sampai PE diperbaiki dan diuji.
4. Netral ditemukan dijembatani ke terminal PE di kotak kontak atau peralatan, atau busbar N dan PE dihubungkan di PHB cabang: sirkit tidak dioperasikan sampai jembatan dilepas oleh personel kompeten dalam keadaan bebas tegangan dan pemisahan N dan PE dibuktikan dengan pengujian. Pengikatan N-PE hanya ada di titik pemisahan pada awal instalasi (411.4.3).
5. Pada sistem TT, proteksi gangguan hanya mengandalkan gawai arus lebih tanpa RCD (411.5.4), atau $R_\text{A} \times I_{\Delta\text{n}}$ terukur di atas 50 V (411.5.3), termasuk pada pengukuran ulang musim kering: instalasi tidak dianggap memenuhi proteksi gangguan sampai RCD dipasang atau elektrode diperbaiki dan diukur ulang.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Resistansi pembumian ≤ 5 Ω adalah syarat universal." Angka 5 Ω dalam PUIL 2000 3.13.2.10 (sebagai rujukan cadangan) adalah batas resistansi total sistem PEN jaringan distribusi, bukan batas universal untuk setiap elektrode instalasi.

"PE boleh disambung ke netral di PHB mana saja." Penggabungan N dan PE hanya ada di satu titik yang ditentukan desain sistem, yaitu titik pemisahan PEN di awal instalasi TN-C-S. Jembatan di PHB cabang membuat PE membawa arus netral dan RCD memutus tanpa gangguan isolasi.

"Elektrode lebih besar selalu lebih baik." Memperbesar diameter hanya sedikit menurunkan resistansi karena diameter masuk ke dalam fungsi logaritma. Langkah yang tepat adalah memperpanjang batang, menambah batang paralel dengan jarak yang cukup, atau memakai bahan perbaikan tanah (soil treatment) yang sesuai dan tidak korosif terhadap elektrode, lalu mengukur hasilnya.

"Warna hijau-kuning bisa dipakai untuk pembumian fungsional." PUIL 2020 444.5.5 melarang penggunaan warna hijau-kuning untuk konduktor pembumian fungsional, dan 5210.1.2 membatasinya pada konduktor pembumian, proteksi, dan ikatan ke bumi.

Hubungan dengan bab lain

Arsitektur sistem TN, TT, dan IT serta akibat PEN putus ada pada bab sistem pembumian, dan metode ukur semua parameter di sini pada bab uji pembumian. Syarat waktu pemutusan ada pada bab proteksi kejut listrik, dan arus konduktor proteksi normal pada bab RCD. Pembumian mesin dan arus konduktor proteksi tinggi dibahas pada bab pemasangan lapangan mesin, dan N-PE yang tersentuh dibahas pada bab diagnosis instalasi. Warna kabel ada pada bab konduktor dan kabel, dan titik pemisahan PEN pada bab sistem suplai. Kabel tanah dibahas pada bab pemasangan sistem perkawatan, dan ikatan di area binatu pada bab ruang basah dan ruang khusus.

Latihan dan pembahasan

1. [Hitung] Sebuah sirkit akhir memiliki konduktor fasa tembaga 10 mm². Arus gangguan dihitung 300 A dan waktu pemutusan gawai proteksi 0,2 s. Nilai $k$ untuk PE tembaga yang menjadi inti kabel berinsulasi PVC adalah 115. Hitung ukuran minimum PE dengan cara tabel dan cara adiabatik, lalu tentukan ukuran yang dipilih bila PE adalah inti kabel yang sama.
2. [Hitung] Sebuah elektrode batang vertikal panjang 3 m, diameter 16 mm, ditanam di tanah beresistivitas 150 Ω·m (ilustrasi). Hitung perkiraan resistansi elektrode tunggal dengan rumus pendekatan. Kemudian, bila dua batang identik dipasang paralel berjarak 6 m, berapa perkiraan resistansi gabungan bila resistansi bersama diabaikan, dan ke arah mana nilai sebenarnya menyimpang?
3. [Tafsir] Seorang teknisi mengukur resistansi elektrode pembumian instalasi TN-C-S sebuah laundry dan mendapat 18 Ω. Ia menyimpulkan bahwa instalasi tidak aman karena nilai tersebut jauh di atas "5 Ω yang disyaratkan". Evaluasi kesimpulan itu dengan menjelaskan kapan angka ohm elektrode relevan dan parameter apa yang menentukan pemutusan.
4. [Tafsir] Pada PHB cabang sebuah bengkel kecil, teknisi menemukan busbar N dan busbar PE terhubung oleh sebuah kabel pendek yang dipasang pemasang sebelumnya. RCD di PHB utama sering memutus setiap kali kompresor dan mesin las menyala, tetapi tidak pernah memutus saat bengkel tanpa beban. Jelaskan mengapa kondisi ini berbahaya dan apa yang seharusnya dilakukan.
5. [Hitung] Sebuah laundry merencanakan tiga batang elektrode vertikal panjang 2,5 m dalam satu baris. Berapa jarak minimum antarbatang dan panjang deretan minimum?
6. [Tafsir] Dalam sebuah instalasi, konduktor hijau-kuning ditemukan tersambung ke terminal berlabel "FE" (pembumian fungsional) pada sebuah penggerak frekuensi variabel. Teknisi berikutnya membaca warna itu dan mengasumsikan konduktor tersebut adalah PE. Jelaskan risiko dari situasi ini dan bagaimana ketentuan PUIL 2020 444.5.5 mengatasinya.

Kunci jawaban beralasan

1. Cara tabel: fasa 10 mm² ≤ 16 mm², maka PE minimum 10 mm². Cara adiabatik: $S = \sqrt{300^2 \times 0{,}2}/115 = \sqrt{18\,000}/115 = 134{,}2/115 \approx 1{,}17$ mm². Keputusan: secara termal, 1,17 mm² sudah cukup, tetapi PE yang menjadi inti kabel yang sama berukuran 10 mm², sesuai cara tabel, dan tidak perlu hitung ulang impedansi lingkar.
2. $R = 150/(2\pi \times 3) \times [\ln(8 \times 3/0{,}016) - 1] = 7{,}958 \times (7{,}313 - 1) \approx$ 50,2 Ω (ilustrasi). Jarak 6 m sama dengan $2 \times 3$ m, tepat memenuhi syarat minimum. $R_\text{total} \approx 50{,}2/2 \approx$ 25,1 Ω (ilustrasi). Nilai sebenarnya lebih tinggi karena daerah resistansi kedua batang tetap saling tumpang tindih; angka akhir ditentukan dengan pengukuran.
3. Kesimpulan itu tidak tepat. Pada TN-C-S, arus gangguan mengalir melalui jalur logam fasa, PE, dan PEN ke netral sumber, bukan melalui tanah; yang menentukan pemutusan adalah impedansi lingkar gangguan $Z_\text{s}$ terhadap $I_\text{a}$ gawai (411.4.4). Angka 5 Ω PUIL 2000 3.13.2.10 (sebagai rujukan cadangan) berlaku untuk PEN jaringan, bukan elektrode pelanggan. Elektrode 18 Ω tetap bermakna saat PEN putus di hulu titik pemisahan: dengan model resistif bab sistem pembumian (beban 23 Ω, $R_\text{B} = 1$ Ω), PE naik sekitar $230 \times 18/42 \approx 99$ V, dan elektrode yang lebih rendah mengurangi bahaya itu. Untuk proteksi gangguan yang diukur adalah $Z_\text{s}$.
4. Jembatan N-PE di PHB cabang membuat sebagian arus netral kembali lewat PE ke titik pemisahan tanpa melewati RCD, sehingga RCD melihat arus sisa sebanding dengan arus beban; itu sebabnya RCD memutus saat beban besar menyala dan diam saat tanpa beban, pola yang dibahas juga pada bab diagnosis instalasi. Bahayanya: PE serta rangka dan pipa yang terikat padanya membawa arus dan bertegangan, dan arus gangguan di hilir jembatan sebagian kembali lewat N melalui RCD sehingga kepekaannya berkurang. Tindakan: bebaskan, kunci, dan verifikasi bebas tegangan menurut Bab 2 · Keselamatan, lepaskan jembatan, pisahkan N dan PE pada rel masing-masing, uji isolasi N-PE dan kontinuitas PE, lalu uji RCD sebelum dienergikan. Menaikkan $I_{\Delta\text{n}}$ atau melepas RCD bukan penyelesaian.
5. Jarak minimum $2 \times 2{,}5 =$ 5 m antarbatang (PUIL 2000 3.19.1.4, sebagai rujukan cadangan). Tiga batang dalam satu baris memerlukan dua jarak, sehingga panjang deretan minimum $2 \times 5 = 10$ m.
6. Risikonya kesalahan identifikasi: teknisi menganggap penggerak sudah terbumi proteksi, padahal konduktor FE dapat tidak menerus ke MET atau tidak berukuran untuk arus gangguan, dan ia mungkin melepas PE yang sebenarnya karena mengira sudah ada. PUIL 2020 444.5.5 melarang hijau-kuning untuk pembumian fungsional dan merekomendasikan satu warna lain yang sama di seluruh instalasi, ditandai di setiap ujung, sehingga hijau-kuning hanya berarti fungsi proteksi (5210.1.2). PE penggerak diperiksa kontinuitasnya ke MET.

Referensi