Proteksi arus lebih: MCB, MCCB, sekering, dan koordinasi dengan kabel

Sebuah mesin pengering pakaian berkapasitas besar di unit laundry komersial terbakar pada tengah malam. Pemeriksaan keesokan harinya menemukan bahwa sekering yang terpasang memiliki arus pengenal jauh di atas kemampuan hantar arus kabel yang menyuplainya. Ketika sebagian lilitan elemen pemanas terhubung singkat sehingga resistansinya turun dan arusnya naik, sekering tidak pernah putus karena arus belum mencapai daerah lebur sekering yang terlalu besar itu. Kabel memanas lebih dahulu, isolasinya terbakar, dan api merambat ke lemari mesin. Kejadian seperti ini berulang di bengkel kecil dan unit laundry yang memasang pengaman "asal ada" tanpa koordinasi dengan kabelnya.

Pertanyaan yang dijawab di sini adalah bagaimana memilih dan menempatkan pengaman arus lebih yang benar-benar melindungi kabel, dan tidak berhenti pada syarat administrasi. Acuan utama adalah PUIL 2020 (SNI 0225:2020) Bagian 4-43, yang mengatur koordinasi antara pengaman dan konduktor. Bab arus hubung pendek membahas besaran arus gangguan dan kapasitas pemutusan, bab selektivitas membahas hubungan antarpengaman, dan bab proteksi motor membahas relai beban lebih serta MPCB.

Batas pembahasan

Pembahasan mencakup MCB menurut IEC 60898-1:2015+AMD1:2019 (Ed. 2.1), MCCB menurut IEC 60947-2:2024, serta sekering gG dan aM menurut IEC 60269-1:2024 dan IEC 60269-2. Tegangan nominal 230/400 V, 50 Hz, sistem tiga fasa empat kawat. Nilai kemampuan hantar arus ($I_\text{Z}$) kabel dalam contoh kerja dan latihan adalah data ilustrasi; cara menentukannya dibahas pada bab kemampuan hantar arus. Proteksi motor tidak dibahas terperinci, tidak ada langkah kerja bertegangan, dan sistem tegangan menengah tidak dicakup. Pengukuran yang disebut di sini, yaitu rekaman arus asut, uji impedansi lingkar, dan termografi PHB yang terbuka, dilakukan pada rangkaian bertegangan sehingga hanya boleh dikerjakan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD. Uraian ini bahan belajar, bukan instruksi kerja.

Beban lebih, hubung pendek, dan kurva waktu-arus

PUIL 2020 mendefinisikan arus lebih sebagai arus yang melebihi arus pengenalnya; untuk konduktor, arus pengenal itu dianggap sama dengan kemampuan hantar arus (KHA). Beban lebih adalah keadaan operasi pada sirkit yang secara listrik tidak rusak yang menimbulkan arus lebih, misalnya saat drum pengering tersendat dan motor harus melawan torsi mekanik yang berlebihan. Arus beban lebih biasanya sedikit sampai beberapa kali arus pengenal dan berlangsung detik hingga jam. Hubung pendek adalah arus yang sangat besar akibat hubungan berimpedansi kecil antara konduktor aktif yang berbeda potensial, dengan nilai puluhan kali arus pengenal atau lebih, yang harus diputus dalam milidetik sampai beberapa detik. Gangguan ke bumi diputus menurut syarat proteksi kejut listrik yang dibahas pada babnya sendiri.

Kurva waktu-arus (time-current characteristic) menggambarkan hubungan antara besar arus dan waktu yang dibutuhkan pengaman untuk beroperasi. Pada bagian kiri kurva (arus rendah), pengaman memerlukan waktu lama karena panas di bilah bimetal atau di elemen lebur harus terakumulasi terlebih dahulu; inilah wilayah beban lebih, yang pada pemutus ditangani pelepas termal. Pada bagian kanan kurva (arus tinggi), pemutus beroperasi hampir seketika karena gaya magnet dari arus besar langsung melepas kait mekanismenya; inilah wilayah hubung pendek yang ditangani pelepas magnetik. Sekering tidak memiliki dua pelepas: satu elemen lebur yang sama bekerja lambat pada arus kecil dan sangat cepat pada arus besar.

PUIL 2020 433.1 menetapkan bahwa arus yang memastikan pengaman beroperasi dalam waktu konvensional ($I_2$) tidak boleh melebihi 1,45 kali kemampuan hantar arus kabel ($I_\text{Z}$). Jika syarat ini tidak terpenuhi, kabel dapat kepanasan secara kronis sebelum pengaman sempat beroperasi, yang berujung pada degradasi isolasi bertahap dan akhirnya kegagalan dielektrik yang dapat menyebabkan kebakaran.

MCB: pelepas termal dan magnetik, kurva B, C, D, dan kapasitas pemutusan

Pemutus sirkit mini (miniature circuit breaker, MCB) adalah gawai proteksi arus lebih yang paling umum dijumpai pada PHB (papan hubung bagi; PUIL 2020 juga memakai istilah PSDK) perumahan dan instalasi komersial ringan. MCB dibuat menurut IEC 60898-1 untuk arus pengenal sampai 125 A dan memiliki dua pelepas dalam satu badan kompak. Pelepas termal berupa bilah bimetal yang melengkung oleh panas arus lebih dan melepaskan kait pemutusan. Pelepas magnetik berupa kumparan yang menarik jangkar feromagnetik ketika arus melampaui ambang magnetik, sehingga pemutusan terjadi hampir seketika.

Karakteristik MCB dibagi menjadi tiga kurva yang dibedakan oleh pita pelepasan seketika (instantaneous tripping). Kurva B memiliki pita 3 hingga 5 kali arus pengenal ($I_\text{n}$); kurva ini cocok untuk beban resistif seperti elemen pemanas dan sirkit yang arus lonjaknya kecil; driver LED dan kumparan kontaktor dapat menarik arus lonjak yang cukup besar, yang dibahas pada bab instalasi penerangan. Kurva C memiliki pita 5 hingga 10 kali $I_\text{n}$ dan umum dipakai untuk beban campuran dan motor kecil dengan arus asut sedang. Kurva D memiliki pita 10 hingga 20 kali $I_\text{n}$ dan diperuntukkan bagi beban dengan arus lonjak sangat tinggi seperti primer transformator dan motor tertentu. Di bawah batas bawah pita, MCB tidak boleh trip seketika; di atas batas atas, MCB harus trip seketika. Karena itu margin terhadap arus asut dihitung dari batas bawah, sedangkan syarat pemutusan otomatis memakai batas atas, yaitu $I_\text{a}$ = 5, 10, dan 20 kali $I_\text{n}$ untuk kurva B, C, dan D sesuai bab proteksi kejut listrik.

Parameter penting lainnya adalah kapasitas hubung pendek pengenal (rated short-circuit capacity, $I_\text{cn}$), yaitu arus hubung pendek prospektif tertinggi yang terbukti dapat diputus MCB dalam uji standar. Kemampuan memutus yang masih menyisakan MCB dalam keadaan layak pakai dinyatakan sebagai kapasitas hubung pendek layanan ($I_\text{cs}$): sama dengan $I_\text{cn}$ sampai 6 kA, 0,75 $I_\text{cn}$ (sekurangnya 6 kA) untuk 6–10 kA, dan 0,5 $I_\text{cn}$ (sekurangnya 7,5 kA) di atas 10 kA. Jadi hanya MCB dengan $I_\text{cn}$ di atas 6 kA yang tidak dijamin layak pakai setelah memutus arus sebesar $I_\text{cn}$. Nilai $I_\text{cn}$ standar berjenjang dari 1,5 kA sampai 25 kA. PUIL 2020 434.5.1 mensyaratkan kapasitas pemutusan tidak kurang dari arus hubung pendek prospektif maksimum ($I_\text{psc}$) di titik pemasangan, kecuali ada proteksi cadangan yang terkoordinasi; topik ini dibahas pada bab arus hubung pendek. MCB tidak memiliki setelan: $I_\text{n}$ dan kurva tetap sejak pabrik, sehingga karakteristiknya hanya dapat ditentukan saat memilih.

MCB kurva C tidak selalu cocok untuk semua motor. Karena puncak siklus pertama asut langsung dapat mendekati dua kali puncak simetris, aturan editor yang dibahas pada bab proteksi motor meminta batas bawah pita seketika sekurangnya dua kali arus asut efektif. Motor dengan arus asut tinggi dapat memerlukan kurva D atau proteksi terpisah seperti MPCB, dan pemilihan kurva yang terlalu rendah menyebabkan trip berulang saat asut meskipun motor sehat. Kurva yang lebih tinggi ada harganya: pada 16 A, impedansi lingkar maksimum untuk pemutusan otomatis turun dari 2,88 Ω (B16) ke 1,44 Ω (C16) dan 0,72 Ω (D16), sehingga pindah kurva harus diikuti pemeriksaan impedansi lingkar.

MCCB: unit trip termal-magnetik dan elektronik

Pemutus sirkit kotak tercetak (moulded case circuit breaker, MCCB) dibuat menurut IEC 60947-2 dan dipakai terutama untuk arus pengenal di atas jangkauan MCB, walaupun rentang keduanya bertumpang tindih di arus kecil. MCCB tersedia dengan dua jenis unit trip: termal-magnetik dan elektronik. Unit termal-magnetik bekerja seperti MCB tetapi berskala lebih besar dan pada banyak tipe dapat disetel. Unit elektronik mengolah arus yang diukur trafo arus (current transformer, CT) internal dan memberikan karakteristik pemutusan yang lebih presisi dan dapat diatur.

Pada MCCB dengan unit trip yang dapat distel, ada dua setelan utama. Setelan pertama adalah $I_\text{r}$ (setelan arus pelepas waktu invers), yang menentukan arus kontinu yang dilindungi. Rentang setelannya ditentukan pabrikan, dan unit elektronik umumnya memberi rentang lebih lebar. PUIL 2020 433.1 Catatan 1 dan Bagian 2, 2.2.8.1 menetapkan bahwa untuk gawai yang dapat disetel, arus pengenal $I_\text{n}$ dalam syarat koordinasi adalah setelan yang dipilih, bukan angka rangka yang tercetak besar di depan. Setelan kedua adalah $I_\text{m}$ (ambang pelepas seketika atau magnetik). Dengan menyetel $I_\text{m}$ lebih tinggi, MCCB dapat menahan arus asut motor yang besar tanpa trip tak diinginkan, sementara tetap memberikan proteksi terhadap hubung pendek, dengan konsekuensi impedansi lingkar maksimum turun, sama seperti pindah kurva MCB. Unit elektronik umumnya menambahkan tahap tunda singkat ($I_\text{sd}$) di antara pelepas waktu invers dan pelepas seketika ($I_\text{i}$), yang memudahkan selektivitas dengan pengaman hilir.

Di laundry komersial dan bengkel industri ringan, MCCB lazim menjadi pemutus utama PHB induk atau pengaman sirkit utama beberapa beban besar. Koordinasinya dengan MCB sirkit cabang, supaya hanya pengaman terdekat dengan gangguan yang beroperasi, dibahas pada bab selektivitas dan koordinasi antarpengaman.

Sekering gG dan aM

Sekering adalah gawai proteksi arus lebih yang bekerja dengan melebur elemen penghantar di dalamnya ketika arus melebihi nilai tertentu. Berbeda dengan MCB atau MCCB, sekering tidak dapat dioperasikan kembali setelah bekerja; tautan sekering yang melebur harus diganti dengan yang sama jenis dan arus pengenalnya. Kelas sekering ditetapkan IEC 60269-1, dan IEC 60269-2 memuat sekering industri untuk personel berwenang; PUIL 2020 432.4 merujuk seri ini. Dua kelas yang relevan untuk laundry dan bengkel adalah gG dan aM, yang perannya berbeda dan tidak dapat dipertukarkan.

Huruf pertama kelas menyatakan rentang pemutusan dan huruf kedua penggunaannya. Sekering gG (rentang penuh, penggunaan umum) dirancang melindungi konduktor dari beban lebih maupun hubung pendek: memutus lambat pada arus lebih kecil dan cepat pada arus sangat besar. PUIL 2020 432.1 menyebut sekering dengan tautan gG sebagai salah satu gawai yang memproteksi terhadap beban lebih dan hubung pendek sekaligus. Sekering aM (rentang sebagian, sirkit motor) hanya dirancang memutus arus di atas kelipatan tertentu arus pengenalnya. PUIL 2020 432.2 Catatan 2 menegaskan bahwa sekering jenis aM tidak memproteksi terhadap beban lebih, dan 432.3 menggolongkannya sebagai gawai proteksi hubung pendek saja, yang hanya boleh dipasang bila proteksi beban lebih disediakan sarana lain. Arus asut motor tidak meleburkannya bila ukurannya dipilih dari kurva dan tabel jumlah asut pabrikan, tetapi beban lebih motor juga tidak meleburkannya. Proteksi beban lebih untuk sirkit motor disediakan terpisah oleh relai beban lebih, yang biasanya dipasang langsung pada kontaktor, atau oleh MPCB; topik ini dibahas pada bab proteksi motor.

Sekering yang elemennya dapat diganti pengguna dengan kawat biasa adalah teknologi usang. Kawat berukuran sembarang sebagai pengganti elemen lebur membuat arus lebur tidak terdefinisi dan tidak terkoordinasi dengan kabel yang dilindunginya, sehingga proteksi tidak andal. PUIL 2020 Bagian 2, 2.2.7.2.2 hanya menyebut sekering tertutup yang memenuhi standar di antara jenis gawai proteksi beban lebih dan hubung pendek; sekering yang elemennya disambung kawat tidak memenuhinya. Instalasi lama yang masih memakai sekering jenis ini sebaiknya diganti dengan pengaman yang memenuhi standar saat renovasi atau penambahan beban.

Persyaratan menurut sifat sirkit: konduktor lin, netral, dan sirkit kendali

PUIL 2020 431.1.1 mensyaratkan deteksi arus lebih pada semua konduktor lin (fasa), dan bila putusnya satu fasa dapat berbahaya, misalnya pada motor tiga fasa, harus diambil tindakan pencegahan; karena itu beban tiga fasa lazim dilindungi pemutus tiga kutub yang kutubnya terkait mekanis. Netral sepenampang lin yang arusnya tidak melebihi arus lin tidak memerlukan deteksi sendiri (431.2.1); pada harmonisa ketiga tinggi, deteksi beban lebih netral diperlukan (431.2.3), seperti dibahas pada bab harmonisa. Bila netral ikut diputus, netral tidak boleh terputus sebelum konduktor lin dan harus tersambung kembali bersamaan atau lebih dulu (431.3).

Bagian 2 melarang sekering di konduktor netral yang dibumikan langsung (2.9.3.1), karena sekering netral yang putus membiarkan fasa tetap tersambung sementara peralatan tampak mati. Konduktor sirkit kendali untuk peralatan yang dikendalikan dari jarak jauh diproteksi di awal sirkit kendali pada setiap konduktor aktif (2.9.2.1; di Bagian 2 istilah konduktor aktif dipakai untuk konduktor fasa, sehingga netral yang dibumikan langsung tetap tanpa sekering menurut 2.9.3.1), kecuali dalam keadaan terbatas yang dirinci klausul itu; penerapannya dibahas pada bab sirkit kendali.

Aturan koordinasi: $I_\text{B} \le I_\text{n} \le I_\text{Z}$ dan $I_2 \le 1{,}45\, I_\text{Z}$

PUIL 2020 Bagian 4-43, 433.1 menetapkan dua syarat yang harus terpenuhi bersamaan oleh karakteristik gawai yang memproteksi sirkit terhadap beban lebih (PUIL menyebutnya gawai proteksi beban lebih, GPBL). Kedua syarat ini dimaksudkan agar pengaman beroperasi sebelum kabel mengalami kerusakan termal, sekaligus tidak beroperasi pada beban normal.

$$I_\text{B} \le I_\text{n} \le I_\text{Z} \qquad (1)$$$$I_2 \le 1{,}45\, I_\text{Z} \qquad (2)$$

Simbol-simbol dalam persamaan ini memiliki definisi yang tepat. $I_\text{B}$ adalah arus desain sirkit (A), yaitu arus yang direncanakan mengalir pada operasi normal; untuk sirkit utama dan cabang nilainya berasal dari kebutuhan maksimum yang dihitung pada bab perencanaan instalasi. $I_\text{n}$ adalah arus pengenal gawai proteksi (A), yaitu nilai yang tertera pada MCB atau sekering, atau setelan yang dipilih pada gawai yang dapat disetel. $I_\text{Z}$ adalah KHA kontinu kabel (A) dalam kondisi pemasangan aktual, setelah faktor koreksi suhu ambien dan pengelompokan diterapkan; cara menentukannya dibahas pada bab kemampuan hantar arus. $I_2$ adalah arus (A) yang memastikan gawai beroperasi efektif dalam waktu konvensional; nilainya diberikan pabrikan atau standar produk. Catatan 2 433.1 menambahkan bahwa pada netral dengan harmonisa ketiga tinggi, $I_\text{B}$ adalah arus permanen yang melalui netral.

Nilai $I_2$ berbeda menurut jenis gawai, dan perbedaan inilah yang menentukan apakah persamaan (2) perlu diperiksa sendiri.

Nilai MCB mengikuti IEC 60898-1, sama dengan angka yang dipakai pada bab diagnosis instalasi; nilai pemutus industri dan sekering diambil dari ringkasan sekunder, dan untuk sekering di bawah 16 A faktornya lebih besar. Untuk sekering gG, persamaan (1) saja tidak cukup: sekering 20 A pada kabel $I_\text{Z}$ = 20 A memenuhi persamaan (1), tetapi $I_2 = 1{,}6 \times 20 = 32$ A melebihi $1{,}45 \times 20 = 29$ A.

Urutannya: tentukan $I_\text{B}$, pilih $I_\text{n}$, lalu verifikasi $I_2$. Pengaman tidak boleh terlalu kecil (trip pada beban normal) dan tidak boleh terlalu besar (kabel kepanasan sebelum pengaman beroperasi). Persamaan (2) menjamin arus beban lebih yang kecil tetapi terus-menerus, dan jaminan itu pun tidak mutlak: 433.1 sendiri mencatat bahwa arus lebih berkesinambungan yang lebih kecil dari $I_2$ mungkin tidak terproteksi, dan untuk kasus demikian menyarankan kabel berpenampang lebih besar. Pada kejadian kebakaran di awal, sekering yang arus pengenalnya jauh di atas $I_\text{Z}$ sudah melanggar persamaan (1), dan karena itu juga persamaan (2).

Lokasi dan peniadaan gawai proteksi beban lebih: 433.2, 433.3, dan 435

PUIL 2020 433.2.1 menetapkan bahwa GPBL ditempatkan pada titik perubahan yang menurunkan KHA konduktor, yaitu perubahan luas penampang, sifat, metode instalasi, atau keadaan fisik. Logikanya, setiap segmen kabel dengan $I_\text{Z}$ lebih rendah memerlukan pengaman yang sesuai dengan $I_\text{Z}$ segmen itu. Dalam PHB laundry komersial, ini berarti setiap kabel sirkit cabang yang keluar dari PHB menuju mesin cuci, pengering, atau setrika uap harus memiliki pengaman yang disesuaikan dengan $I_\text{Z}$ kabel cabang tersebut, bukan dengan $I_\text{Z}$ kabel induk yang lebih besar.

PUIL 2020 433.2.2 mengizinkan GPBL digeser sepanjang konduktor, misalnya dari titik percabangan ke ujung dekat mesin, bila bagian konduktor di antara titik perubahan dan gawai tidak memiliki sirkit cabang atau stopkontak dan memenuhi sekurang-kurangnya satu dari dua kondisi. Kondisi a): bagian itu diproteksi terhadap hubung pendek menurut 434, tanpa batas panjang tertentu. Kondisi b): panjangnya tidak melebihi 3 m, dipasang dengan risiko hubung pendek minimum, dan dipasang dengan risiko kebakaran serta bahaya terhadap manusia minimum. Kedua kondisi ini alternatif, bukan syarat yang harus dipenuhi bersama.

PUIL 2020 433.3 mengatur peniadaan GPBL, yang tidak boleh diterapkan di lokasi berisiko kebakaran atau ledakan. GPBL tidak perlu disediakan untuk konduktor di sisi beban suatu perubahan yang diproteksi efektif oleh gawai di sisi suplai (433.3.1 a), dibuktikan dengan persamaan (1) dan (2) memakai $I_\text{Z}$ kabel yang lebih kecil; untuk konduktor yang tidak mungkin dialiri beban lebih, asal terproteksi hubung pendek dan tanpa cabang atau stopkontak (b); dan (d) untuk sirkit komunikasi, kendali, dan sinyal; proteksi hubung pendek sirkit-sirkit ini tetap diatur 434 kecuali peniadaan 434.3 berlaku. 433.3.3 mengizinkan peniadaan untuk sirkit yang pemutusan tak terduganya berbahaya, seperti magnet pengangkat, sekunder trafo arus, dan gawai pemadam api.

Bila beban lebih dan hubung pendek dilindungi gawai terpisah, PUIL 2020 435.2 mensyaratkan energi yang dilewatkan gawai proteksi hubung pendek (GPHP) tidak melebihi yang dapat ditahan GPBL tanpa kerusakan, dan catatannya tidak melarang jenis koordinasi menurut IEC 60947-4-1. Bila satu gawai melakukan keduanya, gawai itu harus memenuhi 433 dan 434 sekaligus (435.1). Koordinasi tipe 1 dan tipe 2 antara pengaman hubung pendek dan starter motor dibahas pada bab proteksi motor.

Contoh kerja: sirkit pengering 9 kW tiga fasa 400 V

Data (ilustrasi). Sebuah mesin pengering laundry komersial tiga fasa 400 V berdaya 9 kW memiliki beban pemanas resistif yang dominan, sehingga dipakai $\cos\varphi = 1$; bila pelat nama mencantumkan arus, arus itulah yang dipakai. Data kabel mengikuti contoh yang dibahas pada bab kemampuan hantar arus: NYY 5 × 4 mm² tembaga berisolasi PVC di rak kabel berlubang (metode E) bersama empat sirkit lain pada udara 40 °C, dengan $I_\text{Z}$ = 22,2 A; bila raknya tak berlubang (metode C), $I_\text{Z}$ = 20,3 A. Tugasnya memilih pengaman dan memverifikasi koordinasinya.

Langkah 1: menghitung arus desain. Alasan: $I_\text{B}$ adalah batas bawah pilihan $I_\text{n}$. Untuk beban tiga fasa seimbang:

$$I_\text{B} = \frac{P}{\sqrt{3}\, U \cos\varphi} = \frac{9\,000}{\sqrt{3} \times 400 \times 1} = \frac{9\,000}{692{,}8} \approx 13{,}0\ \text{A}$$

dengan $P$ daya aktif (W) dan $U$ tegangan antarfasa (V). Karena beban ini pemanas resistif tanpa arus asut yang berarti, kurva B maupun C pada MCB sama-sama dapat dipertimbangkan.

Langkah 2: memilih pengaman. Alasan: persamaan (1) memberi jendela pilihan. Syaratnya 13,0 A ≤ $I_\text{n}$ ≤ 22,2 A, dan nilai MCB yang umum di rentang ini adalah 16 A dan 20 A. Nilai 13 A dalam deret IEC 60898-1 tidak memberi cadangan, karena arus pemanas resistif sebanding dengan tegangan dan menjadi 13,6 A pada tegangan 5 % di atas nominal. MCB 20 A lolos pada rak berlubang, tetapi pada rak tak berlubang hanya berselisih 0,3 A dari $I_\text{Z}$ = 20,3 A. Dipilih MCB tiga kutub kurva B dengan $I_\text{n}$ = 16 A, yang lolos pada kedua varian dan mendeteksi beban lebih lebih awal. Pita seketika kurva B, $3 \times 16$ sampai $5 \times 16$ = 48–80 A, jauh di atas arus beban tanpa lonjakan asut.

Langkah 3: verifikasi persamaan (1).

$$I_\text{B} \le I_\text{n} \le I_\text{Z} \;\Rightarrow\; 13{,}0\ \text{A} \le 16\ \text{A} \le 22{,}2\ \text{A}$$

Persamaan pertama terpenuhi, juga pada varian rak tak berlubang (16 A ≤ 20,3 A): pengaman tidak trip pada beban normal, dan kabel tidak kepanasan sebelum pengaman beroperasi.

Langkah 4: verifikasi persamaan (2). Alasan: untuk MCB menurut IEC 60898-1, $I_2 = 1{,}45\, I_\text{n}$.

$$I_2 = 1{,}45 \times 16 = 23{,}2\ \text{A} \;\le\; 1{,}45\, I_\text{Z} = 1{,}45 \times 22{,}2 = 32{,}2\ \text{A}$$

Persamaan kedua terpenuhi; pada varian rak tak berlubang batasnya $1{,}45 \times 20{,}3 = 29{,}4$ A, masih terpenuhi. MCB tiga kutub kurva B 16 A, diberi kode -F1 di PHB, terkoordinasi dengan kabel NYY 5 × 4 mm² menurut PUIL 2020 433.1. Kabel 2,5 mm² pada kondisi yang sama ($I_\text{Z}$ = 16,3 A) secara formal lolos dengan MCB 16 A, tetapi selisihnya hanya 0,3 A dan gugur pada rak tak berlubang (15,2 A), sehingga tidak dipilih.

Tafsir. Koordinasi beban lebih baru satu dari beberapa syarat. Pilihan -F1 menjadi final setelah kapasitas pemutusannya terbukti tidak kurang dari $I_\text{psc}$ maksimum di PHB (434.5.1), kabel terbukti tahan terhadap arus hubung pendek sampai diputus (434.5.2), keduanya dibahas pada bab arus hubung pendek, dan impedansi lingkar sirkit terbukti tidak melebihi 2,88 Ω untuk B16 (411.4.4; bab proteksi kejut listrik).

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. Uji impedansi lingkar dan rekaman arus asut yang disebut di sini dikerjakan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Contoh 1: sekering gG di PHB lama dapur hotel. PHB lama dapur sebuah hotel masih memakai sekering gG. Sirkit pemanas air satu fasa 230 V berdaya 4,6 kW ($\cos\varphi = 1$) memakai kabel ber-$I_\text{Z}$ 26 A dan sekering gG 25 A (angka latihan). Arus desainnya $4\,600/230 = 20{,}0$ A, jadi persamaan (1) terpenuhi (20,0 ≤ 25 ≤ 26), tetapi persamaan (2) gagal:

$$I_2 = 1{,}6 \times 25 = 40\ \text{A} > 1{,}45 \times 26 = 37{,}7\ \text{A}$$

Batas kira-kira untuk sekering adalah $I_\text{n} \le 26/1{,}10 = 23{,}6$ A. Sekering 20 A lolos persamaan (2), tetapi sama dengan arus desain dan tidak memberi cadangan bila tegangan naik. Pilihan yang sah adalah MCB 25 A ($I_2 = 1{,}45 \times 25 = 36{,}25$ A ≤ 37,7 A) atau kabel yang lebih besar.

Contoh 2: setelan MCCB di laundry rumah sakit. MCCB berunit trip elektronik dengan rangka 160 A di PHB laundry sebuah rumah sakit memasok sub-PHB setrika melalui kabel ber-$I_\text{Z}$ 105 A, dengan arus desain 88 A (angka latihan). Angka rangka 160 A melanggar persamaan (1), tetapi menurut 433.1 Catatan 1 yang dipakai adalah setelan. Dengan $I_\text{r}$ = 100 A, syaratnya 88 ≤ 100 ≤ 105, dan

$$I_2 = 1{,}30 \times 100 = 130\ \text{A} \le 1{,}45 \times 105 = 152{,}25\ \text{A}$$

Bila setelan kelak dinaikkan ke 125 A karena sering trip, kedua persamaan gagal: 125 A melebihi 105 A, dan $1{,}30 \times 125 = 162{,}5$ A melebihi 152,25 A. Setelan $I_\text{r}$ karena itu diperlakukan seperti mengganti MCB: diperiksa ulang setiap kali diubah (kondisi berhenti butir 2).

Contoh 3: kurva MCB untuk pompa booster hotel. Motor pompa booster air bersih sebuah hotel, tiga fasa 400 V, berarus pelat nama 5,0 A dan diasut langsung. Arus asut efektif yang terekam 7 kali arus pengenal (angka latihan), yaitu 35 A, sehingga aturan margin meminta batas bawah pita seketika sekurangnya 70 A. C10 (50 A) tidak memenuhi, D10 (100 A) memenuhi, dan C16 (80 A) juga memenuhi bila $I_\text{Z}$ kabel sekurangnya 16 A. Harganya ada pada impedansi lingkar maksimum:

$$\text{D10: } \frac{230}{20 \times 10} = 1{,}15\ \Omega, \qquad \text{C16: } \frac{230}{10 \times 16} = 1{,}44\ \Omega$$

Kurva dipilih setelah hasil uji impedansi lingkar, dikoreksi ke suhu kerja konduktor, dibandingkan dengan batas itu. Bila keduanya gagal, dipakai MPCB, dan beban lebih motor tetap dilindungi relai beban lebih atau MPCB menurut Bab 47 tentang proteksi motor.

Contoh 4: kapasitas pemutusan MCB di PHB laundry rumah sakit. Perhitungan menurut Bab 24 tentang arus hubung pendek memberi arus hubung pendek prospektif maksimum 8 kA di rel PHB laundry sebuah rumah sakit (angka latihan). MCB 6 kA tidak memenuhi 434.5.1 tanpa proteksi cadangan yang terkoordinasi. MCB 10 kA memenuhi, tetapi kapasitas layanannya lebih kecil daripada arus itu:

$$I_\text{cs} = 0{,}75 \times 10 = 7{,}5\ \text{kA} < 8\ \text{kA}$$

Jadi MCB itu tidak dijamin layak pakai setelah memutus gangguan terbesar di titik itu, dan sesudah hubung pendek di dekat PHB ia diperiksa atau diganti menurut petunjuk pabrikan. Bila laundry menuntut operasi kembali tanpa penggantian komponen, MCB 25 kA memberi $I_\text{cs} = 0{,}5 \times 25 = 12{,}5$ kA, di atas 8 kA.

Kondisi berhenti

Bila salah satu kondisi berikut ditemukan, pekerjaan dihentikan dan sirkit ditangani personel kompeten dengan isolasi dan verifikasi bebas tegangan menurut Bab 2 · Keselamatan sebelum dilanjutkan.

1. Pengaman ditemukan dijembatani, sekering diganti kawat, atau MCB diganti dengan arus pengenal di atas $I_\text{Z}$ kabelnya: sirkit dikeluarkan dari operasi sampai pengaman yang terkoordinasi terpasang, seperti dibahas pada bab diagnosis instalasi.
2. Pengaman trip berulang tanpa sebab yang jelas, yang dapat menandakan beban lebih kronis atau gangguan isolasi. Pengaman tidak dinaikkan berulang-ulang, dan MCB yang trip seketika tanpa beban tidak dinaikkan lagi.
3. Kabel, isolasi, atau terminal tampak berubah warna, atau termografi oleh personel kompeten dengan APD yang sesuai menunjukkan panas pada beban normal. Kondisi ini menandakan kabel terlalu kecil, pengaman terlalu besar, atau sambungan buruk. Kabel dan terminal tidak disentuh untuk "merasakan panas".
4. Bau terbakar atau asap dari panel atau kabel: suplai diputus dari hulu tanpa mendekati titik panas, dan PHB tidak dibuka sampai dinyatakan aman.
5. Label arus pengenal atau kurva pengaman tidak terbaca: koordinasinya tidak dapat diverifikasi, dan sirkit diperlakukan belum terbukti aman.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Arus pengenal pengaman sama dengan KHA kabel pasti benar." Untuk MCB atau MCCB, $I_\text{n} = I_\text{Z}$ sah hanya bila $I_\text{Z}$ adalah nilai terkoreksi pada pemasangan sebenarnya; bila $I_\text{B}$ jauh lebih kecil, $I_\text{n}$ yang lebih dekat ke $I_\text{B}$ mendeteksi beban lebih lebih awal. Pada sekering gG, $I_\text{n} = I_\text{Z}$ justru melanggar persamaan (2).

"Sekering aM bisa dipakai sebagai pengaman tunggal sirkit motor." PUIL 2020 432.2 Catatan 2 dan 432.3 membatasi sekering aM pada proteksi hubung pendek, dengan proteksi beban lebih dari sarana lain.

"MCB lebih besar lebih aman karena jarang trip." Logika ini terbalik. Pengaman yang terlalu besar tidak beroperasi saat kabel mengalami beban lebih. Kabel yang kepanasan secara kronis mengalami degradasi isolasi dan akhirnya menjadi sumber kebakaran, sementara pengaman tidak pernah memberi tanda apa pun.

"KHA kabel dari katalog bisa langsung dipakai tanpa koreksi." Nilai KHA tabel berlaku untuk kondisi acuan, yaitu suhu udara 30 °C dan metode instalasi acuan tertentu. Dalam instalasi nyata, suhu ambien yang lebih tinggi, pemasangan di dalam dinding berisolasi termal, dan pengelompokan kabel dapat menurunkan $I_\text{Z}$ secara berarti.

"Kurva D trip pada 10 sampai 25 kali, atau 8 sampai 12 kali arus pengenal." Kedua angka ini muncul di buku ajar instalasi korpus. IEC 60898-1 menetapkan pita kurva D 10 sampai 20 kali $I_\text{n}$; batas atas yang salah membuat perhitungan impedansi lingkar maksimum keliru.

Hubungan dengan bab lain

Nilai $I_\text{Z}$ dibahas pada bab kemampuan hantar arus, dan jenis kabel pada bab konduktor dan kabel. Kapasitas pemutusan dibahas pada bab arus hubung pendek, dan pengaman bertingkat pada bab selektivitas dan koordinasi antarpengaman. Pemutusan otomatis ada di bab proteksi kejut listrik, pengukuran impedansi lingkar di bab uji pembumian, impedansi lingkar gangguan, dan uji RCD, dan pemilihan RCD di bab RCD. Arus desain berasal dari bab perencanaan instalasi, netral berharmonisa dari bab harmonisa, dan penelusuran MCB yang trip dibahas pada bab diagnosis instalasi. Proteksi motor, trafo kendali, dan sirkit kendali dibahas pada babnya masing-masing, dan fungsi perangkat proteksi pada rangkaian motor dasar di Bab 52.

Latihan dan pembahasan

1. Sebuah oven industri tiga fasa 400 V dengan daya 12 kW dan $\cos\varphi = 1$ disuplai dari PHB. Hitung arus desain dan tentukan $I_\text{n}$ MCB yang paling tepat dari pilihan 16 A, 20 A, atau 25 A bila kabel yang tersedia memiliki $I_\text{Z}$ = 30 A (ilustrasi).
2. Sebuah sirkit satu fasa 230 V menyuplai pemanas 2,3 kW ($\cos\varphi = 1$) dengan kabel $I_\text{Z}$ = 20 A (ilustrasi). (a) Dipasang MCB kurva C 16 A. Apakah kedua persamaan PUIL 2020 433.1 terpenuhi? (b) Bagaimana bila pengamannya sekering gG 20 A?
3. MCB kurva B 16 A selalu trip saat motor kompresor tiga fasa 400 V, 4 kW, dengan arus pengenal pelat nama 8,0 A, diasut langsung. Arus asut efektif terekam 6 kali arus pengenal. Jelaskan mengapa MCB trip, lalu nilai kurva C 16 A dan D 16 A dengan aturan margin dua kali di atas dan syarat impedansi lingkar.
4. Seorang teknisi mengusulkan mengganti relai beban lebih motor dengan sekering aM karena "sekering aM tidak pernah putus saat motor asut." Evaluasi usulan ini berdasarkan PUIL 2020 432 dan prinsip proteksi beban lebih.
5. Di PHB laundry, kabel utama dengan $I_\text{Z}$ = 80 A (ilustrasi) yang dilindungi MCCB bersetelan 80 A bercabang ke kabel yang lebih kecil dengan $I_\text{Z}$ = 25 A (ilustrasi) sepanjang 5 m, tersambung tetap ke sebuah setrika uap tanpa stopkontak atau cabang lain. Apakah GPBL tambahan wajib, dan di mana boleh ditempatkan? Rujuk 433.2 dan 433.3.
6. Sebuah sirkit satu fasa 230 V dengan beban 1,84 kW ($\cos\varphi = 1$) memakai MCB 20 A dan kabel dengan $I_\text{Z}$ = 16 A (ilustrasi). Verifikasi kedua persamaan koordinasi. Bila ada yang tidak terpenuhi, tentukan tindakan perbaikan dan verifikasi ulang.

Kunci jawaban beralasan

1. $I_\text{B} = 12\,000/(\sqrt{3} \times 400) = 17{,}3$ A. Persamaan (1): 17,3 A ≤ $I_\text{n}$ ≤ 30 A, sehingga yang memenuhi 20 A dan 25 A. Pilih 20 A, nilai terkecil di atas $I_\text{B}$, yang mendeteksi beban lebih paling awal; $I_2 = 1{,}45 \times 20 = 29{,}0$ A ≤ $1{,}45 \times 30 = 43{,}5$ A. 16 A tidak memenuhi karena lebih kecil dari $I_\text{B}$ dan akan trip pada beban normal. 25 A sah, tetapi memberi rentang beban lebih yang lebih longgar.
2. (a) $I_\text{B} = 2\,300/230 = 10{,}0$ A. Persamaan (1): 10,0 ≤ 16 ≤ 20, terpenuhi. Persamaan (2): $I_2 = 1{,}45 \times 16 = 23{,}2$ A ≤ $1{,}45 \times 20 = 29{,}0$ A, terpenuhi; kurva C tidak mengubah $I_2$. (b) Sekering gG 20 A memenuhi persamaan (1) (10,0 ≤ 20 ≤ 20), tetapi $I_2 = 1{,}6 \times 20 = 32$ A melebihi 29,0 A, sehingga persamaan (2) gagal. Sekering gG 16 A lolos: $1{,}6 \times 16 = 25{,}6$ A ≤ 29,0 A. Untuk sekering, persamaan (1) saja tidak cukup.
3. Arus asut $6 \times 8{,}0 = 48$ A, tepat di batas bawah pita B16 (48–80 A), dan puncak siklus pertama asut langsung lebih tinggi lagi, sehingga pelepas magnetik dapat trip seketika. Aturan margin meminta batas bawah pita sekurangnya $2 \times 48 = 96$ A. C16 (80 A) hanya memberi $80/48 = 1{,}67$ kali, jadi masih berisiko trip. D16 (160 A) memberi $160/48 = 3{,}3$ kali, tetapi hanya sah bila impedansi lingkar hasil uji, setelah dikoreksi ke suhu kerja konduktor seperti pada bab proteksi kejut listrik, tidak melebihi $230/(20 \times 16) = 0{,}72$ Ω, dan $I_\text{n}$ = 16 A tetap tidak melebihi $I_\text{Z}$ kabel (433.1); pindah kurva tidak mengubah syarat kabel. Bila salah satu tidak terpenuhi, dipakai MPCB atau pengaman hubung pendek yang dibahas pada bab proteksi motor, dan relai beban lebih tetap diperlukan.
4. Tidak dapat diterima. PUIL 2020 432.2 Catatan 2 menyatakan sekering aM tidak memproteksi terhadap beban lebih, dan 432.3 hanya mengizinkan gawai hubung pendek saja bila proteksi beban lebih disediakan sarana lain. Motor yang dibebani lebih, misalnya 1,5 kali arus pengenalnya selama puluhan menit, berada di daerah tempat aM memang tidak dirancang memutus, sehingga belitan terbakar tanpa gawai bekerja. Klaim "tidak putus saat asut" benar bila ukuran aM dipilih dari kurva pabrikan, dan justru karena sifat itu aM harus dipasangkan dengan relai beban lebih atau MPCB.
5. Ya, proteksi beban lebih untuk kabel 25 A wajib. 433.3.1 a) tidak berlaku, karena MCCB 80 A tidak memenuhi $I_\text{n} \le I_\text{Z}$ = 25 A. Menurut 433.2.1, GPBL dipasang di titik percabangan. 433.2.2 b) gugur karena 5 m melebihi 3 m. Penggeseran menurut 433.2.2 a), misalnya ke dekat setrika, masih mungkin karena bagian itu tanpa cabang atau stopkontak, asal proteksi hubung pendeknya oleh MCCB hulu dibuktikan menurut 434. $I_\text{n}$ GPBL baru memenuhi $I_\text{B}$ setrika ≤ $I_\text{n}$ ≤ 25 A.
6. $I_\text{B} = 1\,840/230 = 8{,}0$ A. Persamaan (1): 8,0 ≤ 20 ≤ 16 tidak terpenuhi, karena $I_\text{n}$ = 20 A > $I_\text{Z}$ = 16 A. Persamaan (2): $I_2 = 1{,}45 \times 20 = 29$ A > $1{,}45 \times 16 = 23{,}2$ A, tidak terpenuhi. Perbaikan: ganti MCB menjadi 10 A atau 16 A. Dengan 10 A: 8,0 ≤ 10 ≤ 16 dan $I_2 = 14{,}5$ A ≤ 23,2 A. Dengan 16 A: 8,0 ≤ 16 ≤ 16 dan $I_2 = 23{,}2$ A ≤ 23,2 A, tepat di batas. Mengganti kabel dengan $I_\text{Z}$ ≥ 20 A juga sah.

Referensi