Selektivitas dan koordinasi antarpengaman

Sebuah laundry komersial menjalankan dua belas mesin cuci dan empat mesin pengering pada Senin pagi. Salah satu mesin cuci mengalami hubung pendek pada belitan motornya. Dalam hitungan milidetik, pemutus di PHB utama ikut memutus, dan seluruh laundry padam. Dua belas mesin berhenti di tengah siklus, cucian basah menumpuk, dan pemilik kehilangan kapasitas produksi hari itu karena satu mesin yang bermasalah. Kejadian seperti ini terjadi ketika koordinasi antarpengaman tidak dirancang dan diperiksa.

Pengaman yang dipasang bertingkat, dari PHB utama sampai sirkit mesin, harus bekerja terkoordinasi sehingga gangguan di satu titik hanya memutus pengaman terdekat, tanpa menjalar ke hulu. Bab proteksi arus lebih memilih satu pengaman untuk satu sirkit terhadap kabelnya, dan bab arus hubung pendek dan kapasitas pemutusan menghitung besar arus gangguan serta memeriksa kapasitas pemutusan satu gawai. Pokok bahasan di sini adalah hubungan beberapa pengaman yang membentuk hierarki proteksi: pengaman mana yang memutus lebih dulu, sampai arus berapa urutan itu terjamin, dan apa harga yang dibayar untuk menjaminnya.

Batas pembahasan

Cakupannya instalasi tegangan rendah 230/400 V, 50 Hz, dengan MCB (IEC 60898-1), MCCB (IEC 60947-2), sekering gG, dan RCD. Koordinasi pada sistem tegangan menengah dan setelan relai proteksi di luar cakupan. PUIL 2020 menempatkan ketentuan koordinasi dan selektivitas gawai proteksi di Bagian 5-53 Ayat 535; bagian itu tidak ada di salinan korpus, dan 411.4.5 serta 411.5.3 Bagian 4-41 merujuk diskriminasi antar-RCD ke 535.3 Bagian 5-53. Karena itu ketentuan di sini disusun dari Bagian 2, 3, 4-43, 5-511, dan 8-2 yang tersedia, ditambah IEC 60947-2 dan sumber sekunder, dan Ayat 535 ditandai belum diverifikasi. Bagian 5-51 yang tersedia tidak memuat ketentuan selektivitas; kaitannya hanya lewat arus konduktor proteksi peralatan (516) yang memengaruhi RCD. Uraian ini bahan belajar, bukan instruksi kerja. Penggantian atau penyetelan pengaman di PHB dilakukan personel kompeten dalam keadaan bebas tegangan yang terverifikasi, sesuai Bab 2 · Keselamatan.

Selektivitas penuh, parsial, dan batas selektivitas

Selektivitas (istilah lama: diskriminasi) adalah koordinasi antara dua gawai proteksi atau lebih sehingga, pada arus lebih atau arus gangguan, hanya gawai di sisi beban (hilir) yang bekerja, sementara gawai di hulu tetap menutup dan melayani beban lain yang sehat. Rumusan itu ada di PUIL 2020 Bagian 8-2 (instalasi prosumer) butir 8.6, yang merujuk Bagian 5-53 Ayat 535. PUIL 2020 Bagian 3 Ayat 36 meminta asesmen kontinuitas layanan untuk setiap sirkit, dengan pemilihan gawai proteksi untuk mencapai selektivitas sebagai salah satu karakteristik yang dipertimbangkan. Bagian 2 butir 2.11.4.4 mewajibkannya secara tegas untuk satu kasus: suplai peralatan pengendali api dan asap kebakaran, evakuasi, dan lift tidak boleh terpengaruh gangguan pada instalasi umum. Untuk laundry, selektivitas adalah keputusan kontinuitas yang dinilai perancang, kecuali pada sirkit layanan keselamatan tersebut.

Selektivitas penuh (total selectivity) dalam tabel pabrikan dan panduan instalasi berarti pengaman hulu tidak ikut memutus sampai kapasitas pemutusan pengaman hilir (sekunder). Untuk satu instalasi, yang diperiksa lebih sempit: pasangan cukup selektif bila pengaman hilir selalu memutus lebih dulu untuk semua arus gangguan sampai arus hubung pendek tertinggi di lokasinya. Dalam praktik laundry komersial, itu berarti gangguan pada mesin cuci nomor 5 hanya memutus pengaman sirkit mesin itu, sementara PHB cabang dan PHB utama tetap bertegangan.

Selektivitas parsial (partial selectivity) terjadi ketika koordinasi hanya terjamin sampai nilai arus gangguan tertentu, yang disebut batas selektivitas (selectivity limit current, $I_\text{s}$). Di atas batas ini, pengaman hilir dan hulu dapat memutus bersamaan. IEC 60947-2 menyediakan verifikasi selektivitas di Lampiran A (A.5), dan butir itu masih ada pada edisi 2024. Menurut panduan instalasi, selektivitas terpenuhi bila arus hubung pendek maksimum di titik pemasangan berada di bawah batas selektivitas pasangan pengaman yang menyuplai titik itu (sekunder). Syarat pemeriksaannya:

$$I_\text{3f,maks}(\text{lokasi pengaman hilir}) \le I_\text{s}$$

dengan $I_\text{3f,maks}$ arus hubung pendek prospektif maksimum (A) di terminal keluaran pengaman hilir dan $I_\text{s}$ batas selektivitas pasangan (A). Lokasinya penting: gangguan tepat di hilir terminal pengaman, misalnya di pangkal kabel, memberi arus terbesar yang dapat dilihat pasangan itu, bukan gangguan di ujung kabel. Jika $I_\text{3f,maks}$ melebihi $I_\text{s}$, perancang memilih pasangan lain dengan batas lebih tinggi, mekanisme selektivitas lain (misalnya tunda waktu di hulu, dengan konsekuensinya), atau menerima selektivitas parsial dengan alasan tertulis.

Di atas perkiraan konservatif yang dijelaskan pada bagian berikut, batas selektivitas diambil dari tabel koordinasi pabrikan untuk pasangan gawai tertentu, bukan dari rasio arus pengenal.

Empat mekanisme selektivitas

Koordinasi antarpengaman dapat dicapai melalui empat mekanisme, masing-masing memanfaatkan sifat fisik pengaman secara berbeda. Dalam satu instalasi, beberapa mekanisme dapat dikombinasikan.

Selektivitas arus. Mekanisme ini memanfaatkan ambang pelepasan seketika (instantaneous trip) yang bertingkat: rendah di hilir, lebih tinggi ke arah sumber. Syarat konservatifnya:

$$I_\text{3f,maks}(\text{lokasi hilir}) < I_\text{i,min,hulu}$$

dengan $I_\text{i,min,hulu}$ ambang pelepasan seketika pengaman hulu pada batas bawah toleransinya (A). Untuk MCB, IEC 60898-1 menetapkan pita pelepasan seketika 3–5 kali arus pengenal untuk kurva B, 5–10 kali untuk kurva C, dan 10–20 kali untuk kurva D (pita yang sama di bab proteksi kejut listrik). Jadi MCB kurva C 63 A di hulu tidak memutus seketika di bawah $5 \times 63 = 315$ A, dan batas selektivitas yang dijamin pita standar saja kira-kira setinggi itu. Selektivitas arus bekerja baik bila ada impedansi kabel yang cukup di antara kedua pengaman, sehingga arus gangguan di hilir jauh lebih kecil daripada di hulu.

Selektivitas waktu. Pengaman hulu sengaja diberi tunda waktu (time delay) agar pengaman hilir sempat memutus lebih dulu. MCB tidak memiliki tunda yang dapat disetel; tunda singkat tersedia pada MCCB dan ACB berpelepas elektronik. Pemutus yang dirancang untuk selektivitas waktu digolongkan kategori pemakaian B dalam IEC 60947-2, dan batas selektivitasnya kira-kira arus ketahanan waktu singkat pengaman hulu, $I_\text{cw}$ (sekunder). Syaratnya:

$$t_\text{tak-kerja,hulu}(I) > t_\text{putus,hilir}(I) \quad \text{untuk semua } I \le I_\text{3f,maks}$$

dengan $t_\text{tak-kerja,hulu}$ waktu terlama pengaman hulu dapat dialiri arus $I$ tanpa memutus dan $t_\text{putus,hilir}$ waktu putus total pengaman hilir termasuk padamnya busur (s). Tunda punya tiga harga. Konduktor yang dialiri arus gangguan selama tunda harus tahan: waktu tunda ditambah waktu putus tidak melebihi $t = (kS/I)^2$ menurut PUIL 2020 434.5.2. Bila pengaman hulu juga memberi proteksi gangguan, waktu putusnya tetap dibatasi PUIL 2020 411.3.2.3 dan 411.3.2.4: sirkit distribusi paling lama 5 s pada sistem TN dan 1 s pada sistem TT. Energi insiden busur api sebanding lurus dengan lama busur, seperti dibahas pada bab busur api: pada contohnya, menunda pemutus utama dari 0,03 s menjadi 0,3 s menaikkan energi insiden dari 1,6 menjadi 15,9 J/cm².

Selektivitas energi. Pengaman hilir yang membatasi arus (current-limiting) memutus dalam waktu kurang dari setengah periode dan membatasi energi yang diteruskan (let-through energy, $I^2t$, dalam A²s), sehingga pengaman hulu tidak sempat bekerja walaupun kedua pengaman dilalui arus yang sama. Contoh gawai pembatas arus adalah sekering gG dan MCCB pembatas arus. Syaratnya, $I^2t$ total pengaman hilir lebih kecil dari $I^2t$ yang diperlukan untuk menggerakkan pengaman hulu. Untuk dua sekering, pembandingnya $I^2t$ total (pra-busur ditambah busur) sekering hilir terhadap $I^2t$ pra-busur sekering hulu, keduanya dari data pabrikan menurut seri IEC 60269. Beberapa standar instalasi nasional menganggap sekering gG 16 A ke atas selektif pada rasio arus pengenal 1,6 : 1 atau lebih (sekunder); rasio itu dianjurkan dipakai hanya dalam lingkup standar yang menetapkannya, dan di luar itu batasnya sebaiknya dari data $I^2t$ pabrikan.

Selektivitas logika. Mekanisme ini dipakai pada PHB besar dengan pemutus berpelepas elektronik yang dihubungkan kabel pilot (zone selective interlocking). Pengaman hilir yang mendeteksi gangguan mengirim sinyal ke pengaman hulu agar hulu menahan diri selama interval tertentu. Jika pengaman hilir berhasil memutus, hulu tidak bereaksi; jika tidak ada sinyal, hulu memutus dengan tunda minimum. Keuntungannya, gangguan di rel PHB utama sendiri diputus tanpa tunda panjang, sehingga energi busur tidak naik seperti pada selektivitas waktu biasa. Harganya kabel pilot yang harus diuji dan dipelihara.

Membaca dua kurva waktu-arus sekaligus

Kurva waktu-arus (time-current characteristic, TCC) menggambarkan hubungan antara besar arus dan waktu yang dibutuhkan pengaman untuk memutus. Sumbu horizontal menyatakan arus dalam ampere dan sumbu vertikal menyatakan waktu dalam detik, keduanya berskala logaritmik. Kurva MCB mengikuti pita IEC 60898-1, kurva MCCB mengikuti IEC 60947-2, dan kurva sekering mengikuti seri IEC 60269; bentuk persisnya diterbitkan pabrikan. Cara membaca satu kurva, daerah termal dan daerah seketika, dibahas pada bab proteksi arus lebih.

Ketika dua kurva digambar pada sumbu yang sama, koordinasi dapat dibaca secara visual. Untuk selektivitas, kurva pengaman hilir harus berada seluruhnya di bawah dan di kiri kurva pengaman hulu pada rentang arus sampai $I_\text{3f,maks}$ di lokasi hilir. Artinya, untuk setiap nilai arus gangguan, pengaman hilir memutus lebih cepat daripada pengaman hulu. Jika kedua kurva berpotongan atau bertumpang di daerah waktu panjang, titik itu menandai batas selektivitas di daerah tersebut.

Kurva pabrikan menampilkan pita toleransi, bukan garis tunggal, karena karakteristik pengaman tersebar antarproduk. Koordinasi yang benar membandingkan batas atas pita hilir dengan batas bawah pita hulu. Suhu sekitar mengubah daerah termal; pabrikan menyatakan suhu acuan kalibrasi dan faktor koreksinya. Batas penting lain: di bawah sekitar 10 ms, yaitu di daerah seketika dan pembatasan arus, kurva waktu-arus tidak lagi menggambarkan perilaku pengaman. Kedua kurva di daerah itu biasanya tampak menyatu menjadi garis tegak yang bertumpang, sehingga perpotongan grafis tidak dapat dipakai sebagai batas selektivitas; di daerah ini yang berlaku adalah perbandingan $I^2t$ atau tabel koordinasi pabrikan.

Selektivitas RCD: tipe S di hulu, sensitivitas bertingkat

RCD (gawai proteksi arus sisa, GPAS) bekerja berdasarkan arus sisa, bukan arus beban atau arus hubung pendek. Koordinasi RCD bertingkat karena itu memakai dua parameter lain, yaitu arus operasi sisa pengenal $I_{\Delta\text{n}}$ dan waktu. Syarat dan data di bawah sama dengan bab RCD.

Syarat selektivitas menurut pedoman gawai yang dipakai bab RCD adalah RCD hulu bertipe S dan $I_{\Delta\text{n}}$ hulu paling sedikit tiga kali $I_{\Delta\text{n}}$ hilir:

$$I_{\Delta\text{n},\text{hulu}} \ge 3\,I_{\Delta\text{n},\text{hilir}}, \qquad t_{\text{tak-kerja},\text{hulu}}(I_\Delta) > t_{\text{putus},\text{hilir}}(I_\Delta)$$

Syarat pertama bekerja pada sumbu arus. RCD tidak boleh memutus sampai $0{,}5\,I_{\Delta\text{n}}$, sehingga dengan rasio 3, arus bocor yang baru mencapai $I_{\Delta\text{n}}$ hilir hanya sepertiga $I_{\Delta\text{n}}$ hulu, masih di daerah tak-kerja RCD hulu. Syarat kedua bekerja pada sumbu waktu. RCD jenis umum memutus paling lama 300 ms pada $I_{\Delta\text{n}}$, 150 ms pada $2\,I_{\Delta\text{n}}$, dan 40 ms pada $5\,I_{\Delta\text{n}}$. RCD tipe S tidak memutus sebelum waktu tak-kerja minimumnya, yaitu 130, 60, dan 50 ms pada tiga titik arus yang sama, dan harus sudah memutus paling lama 500, 200, dan 150 ms. Pada arus sisa sangat besar, misalnya gangguan logam di sistem TN, waktu tak-kerja minimum tipe S menurut tabel standar gawai turun ke 40 ms, sama dengan waktu putus maksimum jenis umum, sehingga selektivitas di daerah itu bersandar pada data pabrikan dan pada pengaman arus lebih hilir yang memutus lebih dulu. Tipe S hanya dibuat untuk $I_{\Delta\text{n}}$ di atas 30 mA. Karena itu tipe S tidak dapat menjadi proteksi tambahan 30 mA di sirkit akhir dan hanya menempati posisi hulu.

Nilai 100 mA tipe S adalah nilai terkecil yang memenuhi rasio 3 terhadap hilir 30 mA, karena $100/30 = 3{,}3$. Bila RCD hulu juga dimaksudkan sebagai proteksi dari bahaya kebakaran, nilainya tidak melebihi 300 mA menurut PUIL 2020 Bagian 4-41 Lampiran F F.1.2.3; susunan yang disarankan bab RCD untuk laundry adalah RCD 30 mA tersendiri per mesin dan, bila proteksi kebakaran dipasang, RCD 300 mA tipe S sebagai hulu di PHB utama.

Selain arus dan waktu, ada syarat ketiga yang tidak boleh dilupakan: RCD hulu bertipe tidak lebih rendah daripada RCD hilir terberat. Arus bocor searah dari sirkit VFD yang dilindungi tipe B mengalir juga melalui RCD hulu, dan bila RCD hulu bertipe A atau AC, arus searah itu memagnetisasi intinya sehingga ia kehilangan kepekaan terhadap gangguan bolak-balik di sirkit lain. Trip tak diinginkan akibat arus bocor alami diatasi dengan pembagian sirkit, bukan dengan menaikkan $I_{\Delta\text{n}}$.

Kaskade sebagai kompromi dan risikonya

Kaskade (proteksi back-up, cascading) adalah pendekatan ketika pengaman hilir yang kapasitas pemutusan pengenalnya lebih rendah dari arus hubung pendek prospektif di lokasinya tetap diizinkan, asalkan dilindungi pengaman hulu yang kapasitas pemutusannya memadai. Dasarnya paragraf kedua PUIL 2020 434.5.1, yang diuraikan pada bab arus hubung pendek dan kapasitas pemutusan: gawai sisi suplai mampu memutus, dan energi lewat kombinasi tidak melebihi ketahanan gawai sisi beban dan konduktornya. Pada arus gangguan sangat tinggi, kedua pengaman boleh memutus bersamaan, dan hal ini berlawanan dengan tujuan selektivitas.

IEC 60947-2 Lampiran A memuat verifikasi proteksi back-up, di samping verifikasi selektivitas. Kombinasi di luar tabel kaskade pabrikan tidak dipakai, meskipun secara intuitif tampak sesuai. PUIL 2020 5110.9.3.4 Bagian 5-511 menambahkan kewajiban bagi pabrikan PHB: bila gawai proteksi hubung pendek dipasang seri dan dimaksudkan bekerja bersama sebagai proteksi back-up, pengguna harus diberi tahu, lewat label peringatan di PHB atau petunjuk operasi, bahwa gawai itu tidak boleh diganti dengan gawai yang tidak identik tipe dan peringkatnya, kecuali kombinasi baru itu sudah diuji bersama. Klausul yang sama menganjurkan koordinasi yang menjamin selektivitas bila kondisi operasi menuntut kontinuitas suplai maksimum.

Keuntungan kaskade: pengaman hilir berkapasitas pemutusan lebih rendah, yang fisiknya lebih ringkas, boleh dipakai di titik berarus hubung pendek tinggi. Risikonya tiga. Pada arus gangguan tinggi pengaman hulu ikut memutus, sehingga pemadaman meluas ke sirkit sehat. Pengaman hilir yang baru memutus arus di atas kapasitas pengenalnya perlu diperiksa sebelum dipakai lagi, sesuai petunjuk pabrikan. Penggantian dengan merek atau seri lain di kemudian hari diam-diam membatalkan kaskade; itulah alasan label 5110.9.3.4.

Untuk laundry yang beroperasi terus-menerus, kaskade lebih cocok di tingkat paling hilir, antara pengaman masuk PHB cabang dan pengaman sirkit akhir, tempat pemadaman ikutan hanya mengenai satu PHB, daripada antara PHB utama dan PHB cabang. Pada instalasi dengan beberapa sumber, misalnya genset atau pembangkit fotovoltaik, PUIL 2020 Bagian 8-2 8.1.2.3 dan 8.6 meminta koordinasi back-up dan selektivitas diperiksa untuk semua konfigurasi suplai, karena arus hubung pendek berubah menurut sumber yang tersambung; suplai cadangan dibahas pada bab genset, sakelar alih, dan suplai cadangan.

Contoh kerja: tiga tingkat pengaman dari PHB utama ke mesin cuci

Semua impedansi, kapasitas pemutusan, dan batas selektivitas berikut adalah ilustrasi yang dapat dihitung ulang. Dalam perancangan nyata, arus hubung pendek dihitung dengan metode bab arus hubung pendek, dan batas selektivitas diambil dari tabel pabrikan untuk pasangan yang benar-benar dipasang.

Langkah 1: arus hubung pendek prospektif maksimum di setiap lokasi pengaman. Alasan: kapasitas pemutusan dan selektivitas diperiksa terhadap arus di tempat gawai dipasang. Untuk gangguan tiga fasa simetris dengan impedansi per fasa $Z_\text{f}$ dari sumber sampai titik gangguan, bentuk sederhananya, dengan faktor tegangan $c_\text{maks} = 1{,}1$ yang ditetapkan bab arus hubung pendek:

$$I_\text{3f} = \frac{U}{\sqrt{3}\,Z_\text{f}} = \frac{U_0}{Z_\text{f}}, \qquad I_\text{3f,maks} = \frac{c_\text{maks}\,U_0}{Z_\text{f}}$$

dengan $U = 400$ V tegangan antarfasa, $U_0 = 230$ V tegangan fasa-netral, dan $Z_\text{f}$ dalam Ω. Faktor 1,1 menaikkan angka nominal 10 %; arus puncak asimetris menurut IEC 60909-0 diabaikan. Impedansi $Z_\text{f}$ bukan impedansi lingkar fasa-netral: bila yang diketahui hasil uji lingkar $Z_\text{LN}$, arus fasa-netralnya $U_0/Z_\text{LN}$ dan arus tiga fasanya kira-kira dua kali itu bila netral setara fasa (bab uji pembumian dan impedansi lingkar).

$$I_\text{3f,maks,PHB utama} = \frac{1{,}1 \times 230}{0{,}0173} = 14\,624\ \text{A}, \qquad I_\text{3f,maks,PHB cabang} = \frac{253}{0{,}0434} = 5\,829\ \text{A}, \qquad I_\text{3f,maks,mesin} = \frac{253}{0{,}1045} = 2\,421\ \text{A}$$

Langkah 2: kapasitas pemutusan. Alasan: PUIL 2020 434.5.1 mensyaratkan kapasitas pemutusan pengenal tidak kurang dari arus hubung pendek prospektif maksimum di tempat pemasangan. Kapasitas itu adalah $I_\text{cn}$ untuk MCB dan $I_\text{cu}$ untuk MCCB; memilih $I_\text{cs}$ setara $I_\text{cu}$ adalah pilihan kontinuitas yang lebih ketat. -Q1 menghadapi 14,6 kA terhadap 25 kA: memadai. -F1 dan -F2 sama-sama terpasang di PHB cabang, jadi keduanya menghadapi 5,83 kA, bukan 2,42 kA di terminal mesin. -F1: 5,83 kA terhadap 10 kA, memadai. -F2: 5,83 kA terhadap 6 kA, memadai tetapi tipis. Pengaman yang kapasitasnya lebih kecil dari arus di lokasinya hanya boleh dipakai sebagai kaskade yang terverifikasi pabrikan.

Langkah 3: selektivitas -F1 terhadap -F2. Alasan: gangguan di sirkit mesin tidak boleh memadamkan PHB cabang. Perkiraan konservatif dari pita IEC 60898-1: -F2 dijamin memutus seketika mulai $10 \times 16 = 160$ A, sedangkan -F1 tidak memutus seketika di bawah $5 \times 63 = 315$ A. Pita standar hanya menjamin selektivitas sampai sekitar 315 A; selebihnya dari tabel pabrikan: misalkan tabel pasangan ini memberi $I_\text{s} = 2{,}5$ kA (ilustrasi), berkat pembatasan energi oleh -F2. Arus maksimum yang dilihat pasangan ini terjadi pada gangguan tepat di terminal keluaran -F2, yaitu 5,83 kA:

$$I_\text{3f,maks} = 5{,}83\ \text{kA} > I_\text{s} = 2{,}5\ \text{kA} \quad \Rightarrow \quad \text{selektivitas parsial}$$

Gangguan di terminal mesin (2,42 kA) dan di dalam mesin, yang arusnya lebih kecil lagi, selektif: hanya -F2 yang memutus. Gangguan pada kabel -W2 dengan arus di atas 2,5 kA dapat memutus -F1 juga. Arus turun ke 2,5 kA baru pada $Z_\text{f} = 1{,}1 \times 230/2\,500 = 0{,}101$ Ω, yaitu sekitar 95 % panjang -W2 dari PHB cabang bila impedansinya sebanding panjang; praktis seluruh kabel tidak selektif, dan gangguan di sana memadamkan seluruh PHB cabang. Karena PHB cabang ini melayani semua mesin cuci, keputusan yang dapat dipertahankan adalah mencari di tabel pabrikan pasangan dengan $I_\text{s} \ge 5{,}83$ kA, misalnya pengaman masuk PHB cabang berupa MCCB. Bila pasangan seperti itu tidak tersedia, selektivitas parsial diterima dengan alasan tertulis di dokumen desain: sebagian besar gangguan terjadi di dalam mesin, dan kabel -W2 dilindungi secara mekanis.

Langkah 4: selektivitas -Q1 terhadap -F1. Alasan: gangguan di PHB cabang tidak boleh memadamkan PHB utama. Arus maksimum yang dilihat pasangan ini terjadi pada gangguan di rel PHB cabang, tepat di hilir -F1, yaitu 5,83 kA. Misalkan tabel pabrikan pasangan -Q1 dan -F1 memberi $I_\text{s} = 6$ kA (ilustrasi). Karena $5{,}83\ \text{kA} \le 6\ \text{kA}$, pasangan ini selektif untuk instalasi ini, walaupun menurut istilah tabel pabrikan ia parsial karena 6 kA di bawah $I_\text{cn}$ -F1: gangguan di PHB cabang hanya memutus -F1, dan PHB utama tetap bertegangan. Marginnya hanya sekitar 3 %, sehingga tabel pabrikan dan data trafo harus pasti sebelum kesimpulan ini dipakai. Bila batas itu hanya dapat dicapai dengan tunda waktu singkat pada -Q1, perubahan setelan dinilai dari dua sisi, selektivitas dan energi insiden busur api di PHB utama.

Langkah 5: catat. Alasan: hasil koordinasi adalah dokumen, bukan ingatan. PUIL 2020 Bagian 2 2.1.2.3 memasukkan diagram garis tunggal dengan besaran pengenal komponen PHB ke dalam desain instalasi, dan perhitungan arus hubung pendek bila dianggap perlu; untuk instalasi yang koordinasinya diperiksa, perhitungan itu jelas perlu. Tabel di atas, sumber $I_\text{s}$, dan keputusan Langkah 3 dicatat di sana untuk memeriksa penggantian gawai kelak.

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. Batas selektivitas dan data $I^2t$ di sini mewakili data pabrikan; di lapangan nilainya dibaca dari tabel untuk pasangan yang benar-benar dipasang.

Contoh 1: tunda waktu pemutus utama hotel. MCCB berpelepas elektronik di PHB utama sebuah hotel diberi tunda singkat 0,3 s supaya MCCB keluaran sub-PHB dapur, yang memutus dalam 0,05 s, bekerja lebih dulu (angka latihan). Gangguan di rel sub-PHB itu sendiri hanya diputus pemutus utama setelah tunda, dengan waktu putus total 0,35 s, sehingga kabel pengumpan PVC 50 mm² dialiri 6,0 kA selama itu (angka latihan). Ketahanan kabelnya:

$$t = \left(\frac{115 \times 50}{6\,000}\right)^2 = 0{,}92\ \text{s} \ge 0{,}35\ \text{s}$$

Kabel PVC 25 mm² hanya diizinkan 0,23 s dan gagal dengan tunda yang sama. Waktu 0,35 s juga di bawah 5 s untuk sirkit distribusi TN. Harga ketiga tunda adalah energi busur di PHB utama: pada contoh Bab 77 tentang busur api, menunda dari 0,03 s ke 0,3 s menaikkan energi insiden sekitar 10 kali.

Contoh 2: RCD bertingkat di laundry rumah sakit. Laundry sebuah rumah sakit memakai RCD 30 mA per mesin dan RCD 300 mA tipe S di PHB utama sebagai proteksi kebakaran, sesuai susunan Bab 22 tentang RCD; arus bocor sirkit lain diabaikan. Rasio $300/30 = 10$ memenuhi syarat tiga kali. Gangguan isolasi 90 mA di satu mesin (angka latihan) adalah $3\,I_{\Delta\text{n}}$ bagi RCD hilir, yang memutus paling lama 150 ms, tetapi hanya $0{,}3\,I_{\Delta\text{n}}$ bagi RCD hulu, di bawah 0,5 kali dan tidak boleh memutus: selektif oleh arus. Gangguan 1,5 A adalah $50\,I_{\Delta\text{n}}$ bagi RCD hilir, yang memutus paling lama 40 ms, dan $5\,I_{\Delta\text{n}}$ bagi RCD hulu tipe S, yang tidak memutus sebelum 50 ms: selektif oleh waktu. RCD hulu jenis umum hanya dibatasi waktu putus maksimum, bukan waktu tak-kerja minimum, sehingga pada gangguan 1,5 A keduanya dapat memutus bersamaan.

Contoh 3: sekering gG bertingkat di gedung lama hotel. PHB gedung lama sebuah hotel memakai sekering gG 100 A di masukan dan sekering gG 63 A serta 50 A di keluarannya. Rasio $100/63 = 1{,}59$ di bawah 1,6 : 1, sedangkan $100/50 = 2{,}0$ memenuhinya, tetapi rasio itu hanya berlaku dalam lingkup standar yang menetapkannya. Yang menentukan adalah perbandingan $I^2t$ dari lembar data pabrikan (angka latihan):

$$I^2t_{\text{total, 63 A}} = 28\,000 > I^2t_{\text{pra-busur, 100 A}} = 21\,000\ \text{A}^2\text{s}, \qquad I^2t_{\text{total, 50 A}} = 14\,000 < 21\,000\ \text{A}^2\text{s}$$

Keluaran 50 A selektif terhadap masukan. Gangguan besar di sirkit 63 A dapat meleburkan sekering masukan juga dan memadamkan seluruh PHB, sehingga pasangannya diganti atau selektivitas parsial diterima dengan alasan tertulis.

Contoh 4: selektivitas setelah hotel memasang pembangkit fotovoltaik. Pasangan MCCB masukan dan MCB keluaran di sub-PHB lantai sebuah hotel mempunyai batas selektivitas 4 kA menurut tabel pabrikan, dan impedansi per fasa dari sumber sampai terminal keluaran MCB 0,075 Ω (angka latihan):

$$I_\text{3f,maks} = \frac{1{,}1 \times 230}{0{,}075} = 3\,373\ \text{A} \le I_\text{s} = 4\,000\ \text{A}$$

Dengan suplai trafo saja, pasangan ini selektif untuk instalasi itu. Setelah pembangkit fotovoltaik atap tersambung, studi arus hubung pendek memberi 4,3 kA di lokasi yang sama (angka latihan), di atas 4 kA, sehingga selektivitas menjadi parsial. PUIL 2020 Bagian 8-2 8.1.2.3 dan 8.6 meminta pemeriksaan untuk semua konfigurasi suplai; keputusannya pasangan dengan $I_\text{s} \ge 4{,}3$ kA atau selektivitas parsial dengan alasan tertulis.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Arus pengenal hilir lebih kecil berarti selektif." Banyak teknisi mengira selama arus pengenal pengaman hilir lebih kecil dari hulu, misalnya 16 A di bawah 63 A, selektivitas otomatis terjamin. Ini keliru. Rasio 1 : 4 menjamin urutan di daerah beban lebih, tetapi di daerah hubung pendek dua MCB seperti itu hanya dijamin selektif sampai ambang seketika bawah pengaman hulu, sekitar 315 A pada contoh kerja. Di atas itu, yang menentukan adalah batas selektivitas dari data pabrikan.

"Selektivitas diperiksa di ujung kabel." Arus di terminal mesin memang yang paling mudah dihitung, tetapi gangguan dapat terjadi di mana saja di hilir pengaman, termasuk di pangkal kabel. Pemeriksaan kapasitas pemutusan dan selektivitas memakai arus maksimum di lokasi pengaman hilir. Memakai arus di ujung kabel menghasilkan kesimpulan "penuh" untuk pasangan yang sebenarnya parsial, seperti terlihat di Langkah 3 contoh kerja.

"Kaskade sama dengan selektivitas." Kaskade dan selektivitas adalah dua konsep berbeda. Kaskade menjamin gawai hilir dan konduktornya tidak rusak walaupun arus gangguan melebihi kapasitas pemutusan pengenalnya, dengan bantuan gawai hulu. Selektivitas menjamin hanya gawai hilir yang memutus. Kaskade justru mengizinkan keduanya memutus bersamaan, kebalikan dari tujuan selektivitas.

"RCD dengan $I_{\Delta\text{n}}$ lebih kecil selalu lebih aman." RCD 10 mA untuk semua sirkit dapat trip karena arus bocor alami, dan RCD yang sering trip mendorong orang menjembataninya. Sensitivitas dipilih menurut fungsi proteksi dan karakteristik sirkit (bab RCD).

"Batas selektivitas bisa dihitung sendiri." Perkiraan konservatif dari pita standar dapat dihitung, dan hasilnya biasanya rendah. Batas yang lebih tinggi merupakan hasil uji kombinasi dua gawai tertentu, dengan verifikasi menurut IEC 60947-2 Lampiran A. Memakai batas selektivitas dari merek atau seri lain adalah kesalahan yang dapat menggagalkan koordinasi di lapangan.

Hubungan dengan bab lain

Bab proteksi arus lebih dan bab arus hubung pendek dan kapasitas pemutusan adalah prasyarat langsung. Data RCD ada di bab RCD, waktu pemutusan otomatis di bab proteksi kejut listrik, jalur arus gangguan di bab sistem pembumian TN, TT, dan IT, dan diagram garis tunggal di bab perencanaan instalasi. Koordinasi tipe 1 dan tipe 2 starter motor (IEC 60947-4-1, dirujuk PUIL 2020 435.2) dibahas pada bab proteksi motor, dan akibat tunda waktu terhadap energi insiden pada bab busur api. Susunan fisik PHB bertingkat dibahas pada bab PHB dalam instalasi. Selektivitas saat suplai berpindah ke genset dibahas pada bab genset, sakelar alih, dan suplai cadangan. Penerapan pada satu laundry utuh dibahas pada bab studi kasus instalasi tiga fasa usaha laundry, dan pemeriksaan dokumen koordinasi pada bab pemeriksaan dan pengujian instalasi.

Latihan dan pembahasan

Gunakan data ilustrasi pada setiap soal. Jangan memakai data dari soal lain kecuali dinyatakan.

1. Impedansi per fasa dari sumber sampai rel PHB cabang 0,046 Ω (ilustrasi), sistem 230/400 V, 50 Hz. Hitung arus hubung pendek tiga fasa simetris prospektif di rel itu dengan rumus sederhana bab ini, dalam kA dengan dua desimal. Berapa hasilnya bila 0,046 Ω itu ternyata impedansi lingkar fasa-netral hasil uji?
2. MCB -F2 20 A dan MCB hulu -F1 50 A memiliki batas selektivitas 1,8 kA (ilustrasi) menurut tabel pabrikan. Arus hubung pendek prospektif di terminal keluaran -F2 adalah 2,1 kA (ilustrasi). Apakah pasangan ini selektif untuk instalasi ini? Nyatakan langkah verifikasi, kesimpulan, dan tindakan yang masuk akal.
3. Seorang teknisi menggambar kurva waktu-arus dua pengaman pada sumbu yang sama dan melihat kurva hilir "memotong" kurva hulu pada 3,2 kA, di daerah waktu sekitar 5 ms. Arus hubung pendek maksimum di lokasi pengaman hilir 2,8 kA (ilustrasi). Apa kesimpulan yang sah, dan dokumen apa yang harus menjadi dasar verifikasi?
4. RCD hilir jenis umum 30 mA melindungi satu mesin; RCD hulu tipe S 100 mA melindungi kelompok mesin. Arus bocor sirkit lain yang melewati RCD hulu diabaikan. (a) Arus bocor di sirkit mesin naik menjadi 45 mA. (b) Terjadi gangguan isolasi dengan arus sisa 150 mA. Untuk masing-masing, RCD mana yang memutus, dan apakah selektivitas terjaga? Tunjukkan dengan angka.
5. Perancang ingin memakai kaskade antara MCCB -Q1 160 A dan MCB -F1 63 A karena arus hubung pendek di PHB cabang 8,5 kA (ilustrasi) melebihi $I_\text{cn}$ MCB yang tersedia, 6 kA. Sebutkan syarat yang harus dipenuhi agar kaskade ini sah, dan satu risiko operasional yang harus diterima pemilik.
6. Instalasi laundry memiliki -Q1 (MCCB 125 A, $I_\text{cu}$ = 20 kA), -F1 (MCB 40 A, $I_\text{cn}$ = 10 kA), dan -F2 (MCB 10 A, $I_\text{cn}$ = 6 kA). Impedansi per fasa dari sumber sampai terminal keluaran -F2 0,105 Ω (ilustrasi). Hitung $I_\text{3f,maks}$ ($c_\text{maks} = 1{,}1$) di lokasi itu, periksa kapasitas pemutusan -F2, dan bandingkan dengan batas selektivitas 2,0 kA (ilustrasi) antara -F1 dan -F2. Apa kesimpulannya?

Kunci jawaban beralasan

1. $I_\text{3f} = 230/0{,}046 = 5\,000$ A $= 5{,}00$ kA. Rumus $U/(\sqrt{3}\,Z_\text{f})$ dengan $U = 400$ V memberi 5,02 kA; selisih 0,4 % itu berasal dari $400/\sqrt{3} = 230{,}9$ V, bukan kesalahan. Kesalahan yang sering terjadi adalah membagi $U_0$ dengan $\sqrt{3}\,Z_\text{f}$, yang menghasilkan 2,89 kA, terlalu kecil $\sqrt{3}$ kali dan berbahaya untuk pemeriksaan kapasitas pemutusan. Bila 0,046 Ω adalah impedansi lingkar fasa-netral, arus fasa-netral $I_\text{psc} = 230/0{,}046 = 5{,}00$ kA dan arus tiga fasa kira-kira $2 \times 5{,}00 = 10{,}0$ kA bila netral setara fasa. Jadi jenis impedansi harus diketahui sebelum menghitung.
2. Bandingkan arus maksimum di lokasi pengaman hilir dengan $I_\text{s}$: $2{,}1\ \text{kA} > 1{,}8\ \text{kA}$, sehingga selektivitas hanya parsial. Gangguan dengan arus di atas 1,8 kA, yaitu di dekat -F2, dapat memutus -F1 juga. Tindakan: cari di tabel pabrikan pasangan dengan $I_\text{s} \ge 2{,}1$ kA, misalnya pengaman hulu berupa MCCB atau pengaman hilir pembatas arus yang lebih kuat. Menurunkan impedansi sumber tidak membantu, karena justru menaikkan arus hubung pendek. Bila tidak ada pasangan yang cocok, selektivitas parsial diterima dengan alasan tertulis.
3. Pada 5 ms, kurva waktu-arus sudah berada di daerah seketika dan pembatasan arus, tempat kurva tidak menggambarkan perilaku pengaman; "perpotongan" di sana bukan batas selektivitas. Kesimpulan yang sah hanya dapat diambil dari tabel koordinasi pabrikan untuk pasangan itu, yang diverifikasi menurut IEC 60947-2 Lampiran A. Bila tabel memberi $I_\text{s} \ge 2{,}8$ kA, pasangan itu selektif untuk instalasi ini, dan nilai tabel dicatat bersama perhitungan arus hubung pendek. Angka 3,2 kA dari grafik tidak dipakai untuk apa pun.
4. Rasio $100/30 = 3{,}3 \ge 3$ dan hulu tipe S: syarat dasar terpenuhi. (a) 45 mA adalah $45/30 = 1{,}5\,I_{\Delta\text{n}}$ bagi RCD hilir, di atas $I_{\Delta\text{n}}$, sehingga RCD hilir memutus paling lama 300 ms. Bagi RCD hulu, 45 mA adalah $0{,}45\,I_{\Delta\text{n}}$, di bawah $0{,}5\,I_{\Delta\text{n}} = 50$ mA, daerah yang tidak boleh memutus. Selektivitas terjaga oleh arus saja. Pada instalasi nyata arus bocor alami sirkit lain ikut melewati RCD hulu dan dijumlahkan (bab RCD); bila jumlahnya melewati 50 mA, RCD hulu berada di pitanya dan dapat ikut memutus. (b) 150 mA adalah $5\,I_{\Delta\text{n}}$ bagi RCD hilir, yang memutus paling lama 40 ms, dan $1{,}5\,I_{\Delta\text{n}}$ bagi RCD hulu. Waktu tak-kerja minimum tipe S turun dari 130 ms pada $I_{\Delta\text{n}}$ ke 60 ms pada $2\,I_{\Delta\text{n}}$, jadi pada $1{,}5\,I_{\Delta\text{n}}$ tidak kurang dari 60 ms. Karena $40 < 60$, RCD hilir selesai lebih dulu; selektivitas terjaga oleh waktu. Syarat tambahan: tipe RCD hulu tidak lebih rendah dari RCD hilir terberat.
5. Syarat: (1) kombinasi -Q1 dan -F1 tercantum dalam tabel kaskade pabrikan dengan kapasitas pemutusan kombinasi tidak kurang dari 8,5 kA pada 400 V ($I_\text{cn}$ -F1 sendiri memang lebih kecil); (2) -Q1 sendiri memiliki $I_\text{cu}$ tidak kurang dari arus hubung pendek di lokasinya; (3) energi lewat kombinasi tidak melebihi ketahanan -F1 dan konduktor yang dilindunginya (PUIL 2020 434.5.1); (4) PHB diberi label bahwa gawai tidak boleh diganti dengan tipe atau peringkat lain (5110.9.3.4). Risiko: pada gangguan besar di PHB cabang, -Q1 ikut memutus dan seluruh instalasi di hilirnya padam.
6. $I_\text{3f,maks} = 1{,}1 \times 230/0{,}105 = 2\,410$ A $\approx 2{,}41$ kA (tanpa faktor tegangan 2,19 kA). Kapasitas pemutusan: 6 kA ≥ 2,41 kA, memadai dengan margin besar. Selektivitas: $2{,}41\ \text{kA} > 2{,}0\ \text{kA}$, jadi hanya parsial. Gangguan di dekat terminal -F2 dapat memutus -F1 juga, walaupun 10 A dan 40 A tampak "jauh berbeda". Perhitungan formal tidak menolong, karena arus nominal pun sudah di atas 2,0 kA. Yang dapat mengubah kesimpulan hanya tabel pabrikan pasangan yang benar-benar dipasang; bila batasnya tetap di bawah arus itu, pilih pasangan lain atau terima selektivitas parsial dengan alasan tertulis.

Referensi