Sirkit kendali: suplai, proteksi, pembumian, dan gangguan tanah

Sebuah mesin pemeras (hydro-extractor) di laundry hotel mulai berputar sendiri ketika operator masih merapikan linen basah di dalam drumnya. Tidak ada yang menekan START, dan sakelar pintu seharusnya mencegah drum berputar selama tutupnya terbuka. Seminggu sebelumnya, operator lain melaporkan bahwa tombol STOP kadang tidak mempan dan mesin baru berhenti setelah sakelar utama dimatikan. Teknisi menemukan kabel kendali di dekat sakelar pintu terkelupas dan menempel ke rangka, sedangkan kotak tombol di dinding yang sering terkena percikan air berisi terminal berkarat dan basah. Panel memakai trafo kendali 400/230 V yang kedua ujung sekundernya tidak dihubungkan ke rangka atau konduktor proteksi. Pemilik bertanya: bila kabelnya diganti, apakah masalahnya selesai?

Jawabannya ada pada cara suplai kendali disusun, bukan pada satu kabel. Bab logika kendali dasar menyusun penahan diri, interlock, dan urutan dengan anggapan setiap kontak bekerja seperti pada gambar; di sini anggapan itu diuji terhadap kabel yang menyentuh rangka dan membuat jalur yang tidak ada di diagram. Bab transformator sudah membahas pemilihan VA trafo kendali dan pengaman primernya, dan bab komponen kendali memberi batas tegangan tarik dan lepas koil. Pertanyaan yang tersisa: dari mana suplai kendali diambil, sisi mana yang dibumikan, di mana kontak dan pengaman diletakkan, dan mengapa kabel yang panjang dapat menahan koil walaupun kontaknya sudah terbuka.

Batas pembahasan

Cakupannya sirkit kendali elektromekanis pada mesin dan panel motor tegangan rendah dengan suplai 230 V AC, 24 V AC, dan 24 V DC. Sirkit keselamatan dua saluran dan tingkat kinerja dibahas pada bab keselamatan fungsional mesin; masukan PLC dan sensor dua kawat pada bab PLC dan bab sensor diskret. Pengukuran pada sirkit bertegangan hanya dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD, sedangkan isolasi dan verifikasi bebas tegangan mengikuti Bab 2 · Keselamatan. Angka contoh adalah ilustrasi, bukan data produk.

Norma: dua wilayah, satu prinsip

PUIL 2020 Bagian 1, 11.3 k) mengecualikan peralatan listrik pada mesin, sehingga sirkit kendali di dalam mesin cuci atau pengering diatur IEC 60204-1:2016+AMD1:2021 (Ed. 6.1). PUIL tetap berlaku untuk panel motor yang menjadi bagian instalasi, misalnya panel pompa di PHB gedung. Bagian 2, 2.9.2.1 mensyaratkan konduktor sirkit kendali untuk peralatan yang dikendalikan dari jarak jauh diproteksi gawai yang bekerja pada setiap konduktor aktif di awal sirkit kendali. Bagian 5-510, 5100.5.7.7.1 meminta sirkit kendali ikut terputus dari semua sumber bila sarana pemutus dibuka, dan 5100.5.7.7.2 meminta trafo kendali disambung di sisi beban sarana itu. Lampiran A.5110 Bagian 5-511 menambah dua syarat untuk PHB (istilah PUIL 2020 lainnya: PSDK): kabel gawai kendali di dalamnya sekurangnya 1,0 mm², dan proteksi sistem kendali terpisah dari proteksi lain.

Teks penuh IEC 60204-1 tidak tersedia bagi editor. Judul klausul 7.2.4, 9.1.1 sampai 9.1.3, dan 9.4.3 dicek pada daftar isi resmi; isinya diambil dari sumber sekunder dengan tingkat keyakinan di peta sumber. Menurut sumber sekunder, 9.4.3.1 meminta cara untuk mengurangi kemungkinan gangguan isolasi pada sirkit kendali menyebabkan start tak disengaja, gerakan berbahaya, atau mesin tidak dapat dihentikan (dari artikel teknis pabrikan GMI yang merujuk edisi 2005).

Tiga pilihan suplai kendali

Pilihan paling sederhana mengambil suplai kendali langsung dari jaringan. Satu buku ajar kendali di korpus memakai dua versi: pada satu halaman arus kendali mengalir dari satu fasa lewat tombol dan koil ke fasa lain, pada halaman lain sirkit kendali disuplai L1-N dengan satu sekering kendali (F3 di buku itu). IEC 60204-1 9.1.1 mensyaratkan trafo berbelitan terpisah untuk sirkit kendali AC, kecuali pada mesin dengan satu starter motor dan/atau paling banyak dua gawai kendali; satu daftar periksa sekunder menambahkan pensakelaran dua kutub pada suplai tanpa trafo bila fasa dan netral dapat tertukar. Suplai L-N pada sistem TN tampak satu sisinya dibumikan, tetapi netral bukan konduktor proteksi: tegangannya terhadap rangka naik oleh susut di netral, dan pada mesin bersteker sisi koil dan sisi kontak dapat bertukar. Suplai fasa-fasa tidak mempunyai sisi terbumikan sama sekali, dan akibatnya dihitung pada Latihan 1.

Trafo kendali menurut IEC 61558-2-2:2022 (Ed. 3.0) memisahkan sirkit kendali dari jaringan secara galvanis. Pemisahan itu memberi tiga hal: tegangan kendali dapat dipilih (IEC 60204-1 9.1.2 menganjurkan tidak melebihi 230 V AC pada 50 Hz), satu sisi sekunder dapat dibumikan dengan sengaja di tempat yang diketahui, dan arus gangguan di sisi kendali dibatasi impedansi trafo, bukan oleh jaringan. Konsekuensinya, RCD (gawai proteksi arus sisa, GPAS) di hulu trafo tidak melihat arus bocor di sisi sekunder, karena arus itu kembali ke belitan sekunder, bukan ke netral jaringan.

Suplai 24 V DC dari catu daya mode sakelar lazim dipakai bila mesin memiliki PLC, sensor elektronik, dan relai antarmuka; unit bertrafo pemisahnya diatur IEC 61558-2-16:2021 (Ed. 2.0). Kutub 0 V biasanya dihubungkan ke konduktor proteksi dan berperan seperti sisi terbumikan trafo kendali. Sirkit itu baru PELV bila sumbernya termasuk yang disebut PUIL 2020 414.3 dan pemisahannya memenuhi 414.4; bila tidak, sirkit itu FELV menurut 411.7, seperti diuraikan di bab transformator dan bab komponen kendali. Catu daya mode sakelar membatasi arusnya sendiri saat hubung singkat, sehingga pengaman per cabang dipilih dari arus yang benar-benar dapat diberikannya, bukan dari sekering besar di keluarannya. Pada 24 V, arus koil hampir sepuluh kali lebih besar daripada pada 230 V untuk daya yang sama, sehingga susut di kabel menjadi batas utama.

Satu sisi dibumikan, koil di sisi terbumikan

Susunan yang diuraikan untuk IEC 60204-1 9.4.3.1 cara a) memakai tiga aturan. Satu ujung sekunder, -T1:X2, dihubungkan ke rangkaian ikatan proteksi di titik suplai, yaitu di terminal trafo. Semua kontak kendali, termasuk STOP, START, kontak penahan, sakelar pintu, dan kontak relai beban lebih, diletakkan di antara ujung lain, -T1:X1, dan satu terminal koil. Terminal koil yang lain disambung langsung ke -T1:X2 tanpa kontak apa pun. Daftar periksa sekunder menambahkan bahwa hubungan -T1:X2 ke konduktor proteksi dibuat dapat dilepas, supaya resistansi isolasi sirkit kendali dapat diuji menurut bab uji resistansi isolasi.

Ketiga baris itu berujung pada keadaan yang sama: koil kehilangan tegangan atau tidak berubah. Itulah inti rancangan ini, sedangkan pengaman arus lebih bertugas membersihkan gangguan dan melindungi kabel. Gangguan beresistansi tinggi di g1 tidak memutus pengaman, tetapi arusnya mengalir dari -T1:X1 ke -T1:X2 lewat rangka tanpa melewati koil, dan gangguan beresistansi di g2 menjadi beban paralel koil yang hanya menambah arus; saat kontak terbuka kedua ujung koil tetap di potensial -T1:X2. Aturan penempatan kontak itu menentukan: bila STOP dipindah ke antara koil dan -T1:X2, gangguan di kabel antara koil dan STOP menghubungkan koil langsung ke -T1:X2 lewat rangka, dan STOP tidak lagi memutus apa pun. Prinsip PUIL 2020 2.9.3.1 dan 2.12.2 c), yang melarang sekering dan sakelar di netral yang dibumikan langsung, berlaku sama di sini: pengaman dan kontak tidak dipasang di -T1:X2, karena memutus sisi terbumikan membuat seluruh sirkit mengambang tanpa terlihat.

Proteksi sirkit kendali: primer dan sekunder

Pengaman primer melindungi belitan primer dan kabel suplainya serta harus tahan arus lonjakan energisasi; pilihannya ada di bab transformator. Pengaman sekunder memutus gangguan di sirkit kendali, melindungi kabel kecil, dan membatasi arus yang dipikul kontak. Daftar periksa sekunder IEC 60204-1 mencantumkan proteksi hubung singkat di sisi primer dan sekunder serta perlindungan kontak kendali terhadap hubung singkat, dengan rujukan klausul 7.2.4, 7.2.10, dan 9.1.3. Nilai sekering maksimum untuk sebuah blok kontak diberikan pabrikannya dan menjadi batas atas pengaman sekunder.

Pada desain terbumikan, pengaman sekunder dipasang di -T1:X1 saja. Pada sirkit tak dibumikan, setiap konduktor aktif diproteksi, sejalan dengan PUIL 2020 2.10.1 untuk instalasi tanpa konduktor yang dibumikan langsung. Pengecualian 2.9.2.1 menganggap proteksi sirkit daya cukup bila konduktor kendali berada dalam selungkup logam atau bahan tak dapat menyala, KHA-nya sekurangnya sepertiga KHA sirkit cabang, dan berlaku salah satu keadaan: kontaktor dan titik kendali pada mesin yang sama, titik kendali dan kabelnya dalam 0,3 m dari panel, atau pembukaan sirkit kendali berbahaya seperti pada pompa kebakaran (teks PUIL menulis "setiap kondisi"; lihat peta sumber). Di dalam PHB, A.5110.13.4.4 tetap meminta proteksi sistem kendali terpisah. Untuk pompa kebakaran, 2.11.8.4 justru melarang trafo kendali dan proteksi arus lebih tambahan demi kelangsungan operasi saat kebakaran; pertimbangan itu tidak berlaku untuk mesin produksi.

Luas penampang minimum kabel kendali mengikuti PUIL 2020 Tabel 52.2: 0,5 mm² tembaga untuk sirkit sinyal dan kendali berkabel pada instalasi magun, 0,1 mm² untuk sirkit sinyal perlengkapan elektronik (Catatan 3), dan 0,75 mm² untuk hubungan fleksibel. Di dalam PHB, A.5110.13.4.3 menaikkan batasnya menjadi 1,0 mm², kecuali kabel bawaan gawai kendali. Luas minimum itu syarat mekanis. Kabel kendali yang panjang juga harus dicek apakah arus gangguannya cukup untuk memutus pengaman secara seketika, seperti pada contoh kerja pertama. Ambang trip seketika MCB kurva B, C, dan D adalah 3–5, 5–10, dan 10–20 kali arus pengenalnya (IEC 60898-1). Arus pengenal di bawah 6 A bukan nilai pilihan standar itu dan tidak ada pada semua seri; periksa lembar data.

Sirkit kendali tak dibumikan dengan pemantau isolasi

Sirkit kendali tak dibumikan memakai prinsip sistem IT dalam PUIL 2020 411.6: gangguan pertama ke rangka hanya mengalirkan arus kecil sehingga tidak perlu diputus, tetapi harus diketahui sebelum gangguan kedua terjadi. PUIL 2020 411.6.3.1 meminta gangguan pertama ditunjukkan gawai monitor insulasi (GMI, insulation monitoring device) atau monitor arus sisa, dengan sinyal yang terus ada selama gangguan, dan merekomendasikan gangguan itu dihilangkan secepat yang dapat dipraktikkan. Teksnya tertulis "didesain untuk mendiskoneksi"; dari susunan 411.6.3.2 maksudnya kemungkinan sistem yang tidak memutus, jadi rumusan itu diduga salah terjemah. GMI dibuat menurut IEC 61557-8:2014 (Ed. 3.0). Untuk mesin, daftar periksa sekunder menguraikan cara b) IEC 60204-1 9.4.3.1 dengan sakelar kendali dua kutub yang memutus kedua konduktor dan perlengkapan yang memutus otomatis saat gangguan isolasi (keyakinan sedang). Karena itu sirkit kendali tak dibumikan pada mesin dirancang memutus otomatis pada gangguan isolasi; operasi dengan alarm saja hanya untuk instalasi yang memenuhi syarat sistem IT PUIL 2020 411.6.

Pada instalasi, keunggulannya gangguan pertama tidak menghentikan proses; satu artikel teknis pabrikan GMI juga mencatat bahwa gangguan beresistansi tinggi pada sirkit terbumikan tidak memutus sekering. Kelemahannya, bila tidak diputus, gangguan pertama tidak terlihat operator. Gangguan simetris, yaitu kedua konduktor turun resistansinya terhadap bumi hampir sama besar, tidak terbaca oleh alat yang hanya mengukur pergeseran tegangan, sehingga GMI harus mampu mendeteksinya. Sirkit yang panjang juga tidak benar-benar mengambang: kapasitansi kabel ke bumi menjadi jalur arus bolak-balik, sehingga satu gangguan pun dapat memberi tegangan pada koil.

Untuk mesin laundry dan panel motor kecil, desain terbumikan lebih mudah dibuktikan karena keamanannya berasal dari susunan kabel, bukan dari tanggapan orang terhadap alarm. Sirkit tak dibumikan yang GMI-nya tidak memutus dapat gagal pada gangguan kedua, seperti mesin pemeras di laundry hotel.

Kabel kendali panjang dan kapasitansi: koil yang tidak lepas

Dua inti yang berdampingan sepanjang kabel membentuk kapasitor. Pada kendali 230 V AC dengan tombol atau sakelar pelampung di tempat jauh, satu inti membawa -T1:X1 ke kontak dan inti lain membawa hasil kontak kembali ke koil di panel. Ketika kontak membuka, kapasitansi antara kedua inti tetap mengalirkan arus bolak-balik ke koil. Koil yang sudah menarik mempunyai impedansi besar karena celah udaranya tertutup, dan arus kecil sudah cukup untuk menahannya. Kontaktor AC boleh baru melepas pada suatu tegangan antara 75 % dan 20 % tegangan pengenal, sehingga tegangan sisa beberapa puluh persen dapat membuat mesin tidak berhenti.

$$Z_\text{H} = \frac{V^2}{S_\text{H}}\,\angle\varphi_\text{H}, \qquad C = c'\,\ell, \qquad \frac{V_\text{koil}}{V} = \frac{|Z_\text{H}|}{\left|Z_\text{H} - \mathrm{j}\,\dfrac{1}{\omega C}\right|}$$

dengan $V$ tegangan kendali (V), $S_\text{H}$ daya semu tahan koil (VA), $\cos\varphi_\text{H}$ faktor daya koil saat menahan, $c'$ kapasitansi antarinti per panjang (F/m), $\ell$ panjang kabel (m), dan $\omega = 2\pi f$ (rad/s). Asumsinya kapasitansi dianggap terpusat, resistansi kabel dan impedansi sumber diabaikan, dan inti lain tidak ikut. Koil tetap tertahan bila rasio itu lebih besar dari rasio tegangan lepasnya, $k_\text{lepas}$, yang nilai terburuknya 0,2. Bila $1/(\omega C)$ jauh lebih besar dari $|Z_\text{H}|$, rasio mendekati $\omega C V^2/S_\text{H}$, sehingga

$$\ell_\text{maks} \approx \frac{k_\text{lepas}\,S_\text{H}}{\omega\,c'\,V^2}$$

Panjang aman naik kuadratik bila tegangan diturunkan, dan kontaktor kecil lebih rentan. Pendekatan itu mengabaikan reaktansi induktif koil yang sebagian meniadakan reaktansi kapasitif, sehingga panjang yang dihasilkannya terlalu besar; contoh kerja memakai rumus lengkap. Satu artikel teknis sekunder memberi aturan praktis kapasitansi yang diizinkan sekitar $500\,S_\text{H}/V^2$ μF pada 50 Hz untuk kendali kontak tetap, dan menyebut panjangnya menjadi separuh pada kendali tombol sesaat.

Cara mengatasinya mengikuti rumus: menurunkan tegangan kendali, memakai suplai DC yang tidak diteruskan kapasitansi dalam keadaan tunak, memakai kontaktor berdaya tahan lebih besar, atau menambah beban paralel pada koil; relai antarmuka 24 V DC di panel adalah bentuk praktis cara DC. Arus bocor keluaran elektronik dan sensor dua kawat dapat menahan kontaktor dengan cara yang sama; rinciannya dibahas pada bab sensor diskret.

Warna kabel kendali

Menurut satu uraian sekunder, IEC 60204-1 13.2.4 memakai hitam untuk sirkit daya AC dan DC, merah untuk sirkit kendali AC, biru untuk sirkit kendali DC, dan oranye untuk sirkit yang dikecualikan; konduktor proteksi hijau-kuning. Sirkit yang dikecualikan adalah sirkit yang tetap bertegangan walaupun pemutus suplai mesin dibuka, misalnya interlock yang disuplai dari panel lain (keyakinan sedang untuk definisi ini). Oranye memberi tahu teknisi bahwa membuka pemutus mesin tidak membuat kabel itu bebas tegangan. Untuk motor instalasi, PUIL 2020 5100.5.7.7.1 meminta sirkit kendali terputus dari semua sumber bila sarana pemutus dibuka; sirkit kendali dari panel lain memerlukan gawai pemutus sendiri yang berdampingan dengan pemutus motor. Di instalasi yang tercakup PUIL, 5210.1.3 menyisakan biru untuk netral bila ada konduktor netral, dan 5210.2 memberi merah untuk konduktor lin DC positif dan putih untuk negatif. Panel pompa di PHB gedung karena itu tidak otomatis mengikuti konvensi mesin; rinciannya dibahas pada bab perakitan dan pengawatan panel.

Contoh kerja: dua desain saat satu kabel tergores ke rangka

Data (ilustrasi). Trafo kendali 400/230 V, 250 VA, $u_\text{R} = 5$ %, $u_\text{X} = 3$ % ($u_\text{k} = 5{,}83$ %), sama dengan ilustrasi di bab transformator. Koil kontaktor drum -Q1: daya tarik 70 VA ($\cos\varphi = 0{,}8$), daya tahan 8 VA ($\cos\varphi = 0{,}3$). Sakelar pintu berjarak 25 m dari panel; kabel kendali tembaga 1,0 mm², konduktor proteksi 1,5 mm², $\rho = 0{,}0225$ Ω·mm²/m pada suhu kerja.

• Desain A (seperti ditemukan): sekunder mengambang, sekering hanya di -T1:X1, tanpa GMI.
• Desain B: -T1:X2 dihubungkan ke konduktor proteksi di terminal trafo, MCB kurva B 2 A di -T1:X1, semua kontak di sisi -T1:X1, koil ke -T1:X2.
• Gangguan g2: kabel antara sakelar pintu (kontak terakhir) dan terminal koil -Q1:A1 tergores ke rangka, resistansinya mendekati nol.
• Gangguan susulan g1: terminal -T1:X1 di kotak tombol, sebelum STOP, basah ke rangka dengan resistansi $R_\text{f}$.

Langkah 1: desain A, hanya g2. Rangka tidak terhubung ke sekunder, jadi tidak ada jalur tertutup; mesin bekerja normal tanpa tanda apa pun.

Langkah 2: desain A, g1 dengan $R_\text{f} \approx 0$. Terminal -Q1:A1 kini terhubung ke -T1:X1 lewat rangka, melewati semua kontak termasuk sakelar pintu. Koil mendapat tegangan penuh dan drum berputar tanpa perintah. Inilah kejadian di laundry hotel.

Langkah 3: desain A, g1 dengan $R_\text{f} = 2$ kΩ. Impedansi koil saat menarik dan saat menahan:

$$|Z_\text{P}| = \frac{230^2}{70} = 756\ \Omega\ (\varphi = 36{,}9^\circ), \qquad |Z_\text{H}| = \frac{230^2}{8} = 6\,613\ \Omega\ (\varphi = 72{,}5^\circ)$$

Saat mesin diam, $V_\text{koil}/V = 756/|2\,000 + 756\angle 36{,}9^\circ| = 0{,}286$. Nilai 28,6 % jauh di bawah tegangan tarik kontaktor lazim, jadi mesin hampir pasti tidak start; standar hanya menjamin penarikan di atas 85 %, bukan penolakan di bawahnya. Saat mesin jalan dan STOP ditekan, $V_\text{koil}/V = 6\,613/|2\,000 + 6\,613\angle 72{,}5^\circ| = 0{,}886$. Nilai 88,6 % di atas batas lepas tertinggi 75 %, sehingga kontaktor mana pun tetap tertahan dan STOP gagal. Dengan rumus yang sama, penahanan kontaktor mana pun terjamin sampai $R_\text{f} \approx 4{,}2$ kΩ, sedangkan start baru terjamin bila $R_\text{f}$ di bawah sekitar 160 Ω. Gangguan lembap yang terlalu lemah untuk menyalakan mesin sudah cukup untuk mencegahnya berhenti, sesuai keluhan seminggu sebelumnya.

Langkah 4: desain B, g2. Terminal -Q1:A1 terhubung ke -T1:X2 lewat rangka, jadi koil dihubung singkat dan lepas. Bila START ditekan, arus mengalir dari -T1:X1 lewat kontak, gangguan, dan konduktor proteksi ke -T1:X2:

$$|Z_\text{T}| = 0{,}0583 \times \frac{230^2}{250} = 12{,}34\ \Omega, \qquad R_\text{kabel} = \frac{0{,}0225 \times 25}{1{,}0} + \frac{0{,}0225 \times 25}{1{,}5} = 0{,}94\ \Omega$$$$|Z| = |(10{,}58 + 0{,}94) + \mathrm{j}\,6{,}35| = 13{,}15\ \Omega, \qquad I_\text{k} = \frac{230}{13{,}15} = 17{,}5\ \text{A}$$

Pada tegangan 90 %, $I_\text{k} = 15{,}7$ A. MCB kurva B 2 A trip seketika pada 6–10 A, jadi gangguan diputus seketika dengan cadangan, sedangkan arus tarik koil $70/230 = 0{,}30$ A jauh di bawahnya; MCB kurva C 2 A (10–20 A) belum tentu trip seketika. Mesin tidak dapat start, dan gangguan terlihat sebagai trip.

Langkah 5: desain B, g1 dengan $R_\text{f} = 2$ kΩ. Arus bocor $230/2\,000 = 0{,}115$ A mengalir dari -T1:X1 ke -T1:X2 tanpa melewati koil, dengan panas $230^2/2\,000 = 26{,}5$ W terpusat di terminal basah. Pengaman dan RCD di hulu trafo tidak bereaksi, tetapi koil tidak terpengaruh; gangguan ditemukan lewat uji resistansi isolasi, dan bila menjadi hubung singkat, MCB memutus.

Langkah 6: keputusan. Mengganti kabel yang tergores saja mengembalikan mesin ke desain A dengan gangguan kotak tombol basah yang belum ditemukan. Perbaikannya desain B dengan penghubung -T1:X2 yang dapat dilepas, kotak tombol ber-IP sesuai lokasi basah, lalu uji resistansi isolasi dan uji fungsi oleh personel kompeten.

Contoh kerja: sakelar jarak jauh di rumah pompa

Data (ilustrasi). Pompa pengisi tangki dikendalikan kontaktor 3 kW yang koilnya menurut satu katalog yang dicek editor berdaya tarik 27 VA ($\cos\varphi \approx 0{,}8$) dan daya tahan 4,2 VA ($\cos\varphi = 0{,}25$). Sakelar pelampung kontak tetap berada di tangki 150 m dari panel. Kabel dua inti 1,5 mm² dengan kapasitansi antarinti 0,3 μF/km, nilai tipikal dari satu artikel sekunder. Kendali 230 V AC.

Langkah 1: rasio tegangan koil saat pelampung membuka.

$$C = 0{,}3 \times 0{,}150 = 0{,}045\ \mu\text{F}, \qquad \frac{1}{\omega C} = \frac{1}{314{,}16 \times 0{,}045 \times 10^{-6}} = 70{,}7\ \text{k}\Omega$$$$|Z_\text{H}| = \frac{230^2}{4{,}2} = 12\,595\ \Omega\ (\varphi = 75{,}5^\circ), \qquad \frac{V_\text{koil}}{V} = \frac{12\,595}{|12\,595\angle 75{,}5^\circ - \mathrm{j}\,70\,700|} = 0{,}215$$

Nilai 21,5 % di atas 20 %, jadi kontaktor yang tegangan lepasnya berada di ujung bawah toleransi tetap tertahan. Pompa dengan kontaktor seperti itu dapat tidak berhenti saat tangki penuh, dan air meluap.

Langkah 2: panjang batas. Rumus lengkap memberi rasio 0,2 pada 141 m. Pendekatan $\ell_\text{maks} \approx 0{,}2 \times 4{,}2/(314{,}16 \times 0{,}3 \times 10^{-9} \times 230^2)$ memberi 168 m, lebih panjang dan tidak aman. Aturan praktis sekunder memberi $500 \times 4{,}2/230^2 = 0{,}040$ μF atau 132 m.

Langkah 3: 24 V AC dengan koil berdaya sama. Rasio kapasitif turun menjadi 0,19 %, jadi masalah pelepasan selesai. Namun arus tarik $27/24 = 1{,}13$ A melewati resistansi dua inti $0{,}0225 \times 300/1{,}5 = 4{,}5$ Ω. Dengan $|Z_\text{P}| = 24^2/27 = 21{,}3$ Ω pada 36,9°, tegangan koil saat menarik $21{,}3/|21{,}3\angle 36{,}9^\circ + 4{,}5| = 85{,}1$ % pada tegangan nominal, dan 76,6 % bila suplai turun 10 %. Koil tidak dijamin menarik.

Langkah 4: 24 V DC dengan relai antarmuka. Pelampung menggerakkan relai antarmuka 24 V DC 0,5 W di panel, yang menyakelar koil 230 V lewat kabel pendek. Arusnya 21 mA, susut di kabel 300 m hanya 0,09 V, dan DC tidak diteruskan kapasitansi. Kutub 0 V dibumikan dan isolasi koil-kontak relai dipilih sesuai bab komponen kendali.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus bab ini; angka keadaan yang bukan dari sumber ditandai angka latihan, dan hitungannya dicatat di peta sumber pengembangan. Pengukuran pada sirkit bertegangan hanya oleh personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD, dan perubahan pengawatan dilakukan setelah isolasi dan verifikasi bebas tegangan menurut Bab 2 · Keselamatan.

Contoh 1: trafo kendali kecil di panel pompa hotel. Panel pompa transfer di ruang pompa sebuah hotel sudah memakai desain B, tetapi trafonya 100 VA dengan $u_\text{R}$ dan $u_\text{X}$ sama dengan contoh kerja pertama, dan kabel ke sakelar batas sepanjang 25 m, 1,0 mm², dengan PE 1,5 mm² (angka latihan). Untuk gangguan g2:

$$Z_\text{b} = \frac{230^2}{100} = 529\ \Omega, \qquad |Z| = |(26{,}45 + 0{,}94) + \mathrm{j}\,15{,}87| = 31{,}7\ \Omega, \qquad I_\text{k} = \frac{230}{31{,}7} = 7{,}3\ \text{A}$$

Pada tegangan 90 % arusnya 6,5 A. MCB kurva B 2 A baru terjamin trip seketika pada 10 A, jadi gangguan belum tentu diputus seketika, berbeda dengan trafo 250 VA (15,7 A). Pilihannya MCB kurva B 1 A bila tersedia pada serinya (trip seketika 3 sampai 5 A, sedangkan arus tarik koil 27 VA seperti pada contoh kerja sakelar jarak jauh hanya 0,12 A) atau trafo yang lebih besar. Memasang pengaman yang lebih besar justru salah (kondisi berhenti butir 5).

Contoh 2: kotak tombol jauh pompa air panas rumah sakit. Kontaktor berdaya tahan 4,2 VA ($\cos\varphi = 0{,}25$) seperti pada contoh kerja sakelar jarak jauh dikendalikan tombol START dan STOP sesaat di ruang lain sejauh 100 m (angka latihan), dengan kabel 0,3 μF/km dan kendali 230 V AC.

$$C = 0{,}030\ \mu\text{F}, \qquad \frac{1}{\omega C} = 106\ \text{k}\Omega, \qquad \frac{V_\text{koil}}{V} = \frac{12\,595}{|12\,595\angle 75{,}5^\circ - \mathrm{j}\,106\,100|} = 0{,}134$$

Untuk kontak tetap, rasio itu di bawah 0,2. Untuk kendali tombol sesaat, aturan praktis sekunder memotong panjang menjadi separuh: batas $500 \times 4{,}2/230^2 = 0{,}040$ μF menjadi sekitar 0,020 μF, atau 66 m. Kabel 100 m melewatinya, sehingga tombol menggerakkan relai antarmuka 24 V DC di panel seperti Langkah 4 contoh kerja sakelar jarak jauh.

Contoh 3: catu daya 24 V DC berpembatas arus di panel dapur. Panel kendali tudung buang dapur sebuah hotel memakai catu daya 24 V DC 5 A yang membatasi arus keluarannya pada 1,2 kali arus pengenal, yaitu 6 A, dengan kutub 0 V dihubungkan ke PE (angka latihan). Satu cabang sensor dilindungi MCB kurva C 4 A, yang baru trip seketika pada 20 sampai 40 A. Bila kabel +24 V cabang itu tergores ke rangka, catu daya menahan arus 6 A, MCB tidak trip seketika, dan tegangan semua cabang turun. Koil lepas ke arah aman, tetapi seluruh panel berhenti tanpa menunjukkan lokasi gangguan. MCB kurva B 2 A (6 sampai 10 A) juga belum terjamin. Pengaman cabang dipilih dari arus 6 A itu: MCB kurva B 1 A (3 sampai 5 A) bila ada pada serinya.

Kondisi berhenti

Mesin tidak dioperasikan, atau pekerjaan dihentikan, bila:

1. Mesin pernah start sendiri, bergerak tanpa perintah, atau tidak berhenti dengan STOP. Mesin itu tidak dioperasikan sampai penyebabnya dibuktikan (Bab 4 · Sistem, Diagram & Diagnosis), pembumian dan resistansi isolasi sirkit kendalinya diperiksa, dan uji fungsi diulang; mengganti kabel yang terlihat rusak belum cukup.
2. Sirkit kendali mesin mengambang tanpa GMI yang memutus otomatis, atau alarm GMI menyala tanpa tindak lanjut.
3. Ada kontak kendali (STOP, sakelar pintu, kontak relai beban lebih) di antara koil dan sisi terbumikan, atau sekering dan sakelar di sisi terbumikan.
4. Hubungan sisi terbumikan ke konduktor proteksi lepas, atau dilepas untuk uji dan belum dipasang kembali.
5. Pengaman sekunder trip berulang dan diganti nilai lebih besar tanpa gangguannya dicari.
6. Kontaktor tidak lepas atau lepas lambat ketika kontak kendali jarak jauh dibuka, atau kotak tombol di area basah berisi air, karat, atau jejak panas.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Kendali 24 V aman, jadi tidak perlu dibumikan." Logika gangguan tanah tidak bergantung pada besar tegangan: dua gangguan pada sirkit 24 V mengambang tetap menjembatani sakelar pintu, dan sirkit itu belum tentu PELV.

"Mengambang lebih aman karena satu gangguan tidak memutus." Pada mesin, sirkit tak dibumikan justru harus memutus otomatis pada gangguan isolasi. Tanpa itu, gangguan pertama menunggu gangguan kedua tanpa terlihat.

"Sering trip saat hujan, naikkan saja pengaman kendali." Trip itu adalah desain terbumikan yang sedang bekerja memberi tahu ada gangguan. Pengaman yang lebih besar tidak lagi trip seketika pada arus gangguan yang dibatasi impedansi trafo dan kabel, sehingga gangguan menjadi sumber panas di kotak tombol.

"Hubungkan saja kontak penahan dengan kabel untuk membuktikan kontaknya rusak." Satu buku ajar kendali di korpus menyarankan cara itu dalam contoh pelacakan gangguan. Pada sirkit bertegangan, jembatan kabel menyalakan mesin di dekat tangan orang dan meniru persis gangguan g2 pada desain yang salah. Uji kontinuitas dilakukan pada sirkit bebas tegangan (Bab 2 · Keselamatan), dan urutan diagnosisnya dibahas pada bab diagnosis kendali motor.

Hubungan dengan bab lain

Prasyaratnya Bab 2, Bab 52, Bab 1 · Keselamatan, dan Bab 2 · Keselamatan, bab transformator untuk trafo dan SELV/PELV/FELV, bab komponen kendali untuk koil, bab tombol dan stop darurat untuk prinsip arus tenang, bab logika kendali dasar, serta bab uji resistansi isolasi dan bab uji pembumian, impedansi lingkar gangguan, dan uji RCD. Hasilnya dipakai pada bab perakitan panel, bab uji pra-energi, bab diagnosis kendali motor, dan bab kerja aman. Mesinnya dijelaskan pada bab washer-extractor pada rak Laundry.

Latihan dan pembahasan

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

1. Sirkit kendali mesin lama disuplai fasa-fasa 400 V dengan koil 400 V; semua kontak di sisi L1 dan sekering 2 A hanya di L1. Instalasinya TN. Saat mesin jalan, kabel antara kontak terakhir dan A1 tergores ke rangka. Jelaskan urutan kejadiannya, hitung tegangan koil setelah sekering putus, lalu nilai apakah STOP masih bekerja.
2. Mesin bersteker memakai suplai kendali langsung L-N dengan kontak di sisi L dan koil di sisi N. Kotak kontak di ruang cuci tidak berpolaritas. Kabel antara kontak dan koil tergores ke rangka. Pilih yang benar: (A) aman, karena netral terbumikan; (B) bila steker terbalik, koil berada di antara fasa dan titik gangguan, sehingga koil dapat menarik tanpa perintah; (C) aman, karena sekering di sisi N akan putus; (D) tidak ada pengaruh, karena tegangan koil sama.
3. Trafo kendali 400/24 V, 250 VA, $u_\text{R} = 5$ %, $u_\text{X} = 3$ %. Gangguan g2 terjadi 25 m dari panel dengan kabel 1,0 mm² dan konduktor proteksi 1,5 mm² ($\rho = 0{,}0225$ Ω·mm²/m). Hitung arus gangguan, lalu pilih antara MCB kurva C 6 A dan MCB kurva B 4 A di -T1:X1. Periksa juga arus tarik koil 70 VA.
4. Kontaktor berkoil 230 V dengan daya tahan 9,8 VA ($\cos\varphi = 0{,}25$) dikendalikan sakelar kontak tetap lewat kabel dengan $c' = 0{,}3$ μF/km. Hitung rasio tegangan koil saat kontak terbuka pada 200 m untuk kendali 230 V, lalu untuk kendali 110 V dengan koil berdaya sama. Perkirakan panjang batas 230 V dengan pendekatan untuk $k_\text{lepas} = 0{,}2$ dan jelaskan apakah hasilnya konservatif.
5. Panel pengering memakai sirkit kendali 230 V tak dibumikan dengan GMI yang hanya menyalakan lampu alarm. Lampu itu menyala tiga bulan dan operator menganggapnya tidak penting karena mesin berjalan normal. Jelaskan arti alarm itu, apa yang dapat terjadi pada gangguan berikutnya, dan apa yang salah pada rancangannya.
6. Teknisi membuka pemutus utama sebuah washer-extractor, lalu mulai melepas kabel oranye yang menuju sakelar pintu dari panel sentral laundry. Nilai tindakan itu dan sebutkan yang harus dilakukan sebelumnya.

Kunci jawaban beralasan

1. Saat mesin jalan, kontak tertutup, jadi L1 terhubung ke rangka lewat kontak dan gangguan; arus gangguan fasa-bumi memutus sekering L1. Setelah itu A1 berada di potensial bumi dan A2 di L2, sehingga koil mendapat tegangan fasa-netral $230/400 = 57{,}5$ % tegangan pengenalnya. Kontaktor boleh melepas di mana saja antara 20 % dan 75 %, jadi banyak kontaktor tetap tertahan. STOP di sisi L1 kini tidak berarti; mesin hanya berhenti bila pemutus utama dibuka. Bila goresan terjadi saat mesin diam, sekering tidak putus karena kontak terbuka, dan koil langsung mendapat 57,5 %: penarikan tidak terjamin, tetapi start tanpa perintah tidak dapat dikesampingkan. Perbaikannya trafo kendali dengan -T1:X2 dibumikan.
2. B. Bila steker terbalik, sisi kontak berada di netral dan koil di fasa; gangguan di antara kontak dan koil menghubungkan koil antara fasa dan rangka, melewati semua kontak. A keliru karena netral bukan konduktor proteksi dan posisinya bergantung pada steker. C keliru karena sekering tidak dipasang di netral yang dibumikan langsung (PUIL 2020 2.9.3.1) dan arus koil tidak memutusnya. D keliru karena yang berubah jalurnya. RCD 30 mA, bila ada, dapat trip karena arus koil kembali lewat konduktor proteksi, tetapi tidak dapat dipastikan mendahului penutupan kontaktor. Karena itu dipakai pensakelaran dua kutub atau trafo kendali.
3. $Z_\text{b} = 24^2/250 = 2{,}304$ Ω; $Z_\text{T} = 0{,}115 + \mathrm{j}\,0{,}069$ Ω; kabel $0{,}94$ Ω; $|Z| = 1{,}055$ Ω; $I_\text{k} = 24/1{,}055 = 22{,}7$ A, atau 20,5 A pada tegangan 90 %. MCB kurva C 6 A trip seketika pada 30–60 A, jadi tidak trip seketika. MCB kurva B 4 A trip seketika pada 12–20 A, dan 20,5 A masih di atasnya dengan margin tipis. Arus tarik $70/24 = 2{,}9$ A di bawah 12 A, jadi MCB kurva B 4 A tidak trip saat koil menarik, tetapi beban tahan total harus di bawah 4 A walaupun trafo mampu 10,4 A. Pada 24 V, resistansi kabel mendominasi impedansi lingkar.
4. Pada 230 V: $|Z_\text{H}| = 230^2/9{,}8 = 5\,398$ Ω pada 75,5°; $C = 0{,}06$ μF, $1/(\omega C) = 53{,}1$ kΩ; rasio 0,113, di bawah 0,2, jadi koil lepas. Pada 110 V: $|Z_\text{H}| = 1\,235$ Ω, rasio 0,024. Pendekatan: $\ell_\text{maks} \approx 0{,}2 \times 9{,}8/(314{,}16 \times 0{,}3 \times 10^{-9} \times 230^2) = 393$ m, sedangkan rumus lengkap memberi sekitar 330 m. Pendekatan tidak konservatif karena mengabaikan reaktansi induktif koil yang mengurangi impedansi total. Menurunkan tegangan ke 110 V memperpanjang batas sekitar $(230/110)^2 = 4{,}4$ kali.
5. Alarm berarti satu konduktor sudah terhubung ke rangka, jadi sirkit kini efektif dibumikan di titik yang tidak diketahui, mungkin di sisi terkontak antara kontak dan koil. Gangguan berikutnya pada konduktor lain dapat menyalakan koil tanpa perintah atau menahannya saat STOP ditekan, seperti desain A pada contoh kerja. Pengering adalah mesin, sehingga menurut cara b) IEC 60204-1 9.4.3.1 (sekunder) GMI-nya seharusnya memutus sirkit pada gangguan isolasi, bukan hanya memberi alarm. Mesin diperlakukan dalam kondisi berhenti, gangguan dicari dengan uji resistansi isolasi pada sirkit bebas tegangan, rancangan diubah menjadi terbumikan atau GMI yang memutus, lalu fungsi diuji ulang.
6. Keliru. Oranye menandai sirkit yang dikecualikan, yang tetap bertegangan walaupun pemutus mesin dibuka, karena disuplai dari panel lain. Sebelum menyentuh kabel itu, sumber di panel sentral diisolasi dan dikunci, lalu ketiadaan tegangan diverifikasi dengan detektor yang sesuai, mengikuti Bab 2 · Keselamatan dan prosedur yang dibahas pada bab kerja aman.

Referensi