Sistem pembumian TN, TT, dan IT: jalur arus gangguan dan konsekuensinya

Di sebuah laundry komersial yang beroperasi tiga gilir sehari, operator merasakan kesemutan setiap kali menyentuh badan mesin cuci berdaya 5 kW saat kunci pintu bersolenoida aktif. Teknisi mengganti MCB dua kali karena mengira pengamannya rusak, sebab MCB itu tidak pernah memutus. Setelah diukur oleh personel kompeten, badan mesin ternyata bertegangan sekitar 110 V terhadap lantai. Kejadian itu berakar pada sistem pembumian instalasi yang tidak dipahami dengan benar, sehingga jalur arus gangguan tidak dapat diprediksi dan pengaman yang dipilih tidak mampu memutus gangguan dengan andal.

Bab ini menjelaskan tiga keluarga sistem pembumian yang diatur PUIL 2020: TN (dengan variannya TN-C, TN-S, dan TN-C-S), TT, dan IT. Fokusnya adalah konfigurasi fisik, jalur yang dilalui arus gangguan, dan konsekuensi besar arus itu terhadap pemilihan pengaman. Syarat waktu dan impedansi pemutusan diturunkan dari data yang disiapkan di sini dan dibahas pada bab proteksi kejut listrik, sedangkan pemasangan elektrode dan penampang konduktor proteksi dibahas pada bab pembumian, konduktor proteksi, dan ikatan ekuipotensial.

Batas pembahasan

Pembahasan dibatasi pada instalasi bangunan 230/400 V, 50 Hz; tegangan menengah, pembumian netral beresistansi tinggi, sistem arus searah, serta kapal atau kendaraan di luar cakupan. Angka contoh kerja adalah ilustrasi; nilai regulasi hanya yang tercantum dalam PUIL 2020 dan dirujuk eksplisit. PUIL 2020 Bagian 5-54 tidak ada di salinan korpus, sehingga ketentuan konduktor PEN diambil dari IEC 60364-5-54 dan PUIL 2000 dengan penanda cadangan. Uraian ini bahan belajar, bukan instruksi kerja; pengukuran bertegangan hanya dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Kode huruf: hubungan sumber dan bagian konduktif terbuka dengan bumi

PUIL 2020 Bagian 3, 312.2, memakai kode huruf dari IEC 60364-1 untuk menamakan jenis pembumian sistem. Huruf pertama menyatakan hubungan sistem daya, umumnya titik netral trafo distribusi, terhadap bumi. Huruf kedua menyatakan hubungan bagian konduktif terbuka (BKT, exposed conductive part) instalasi terhadap bumi, yaitu bagian logam peralatan yang dalam kondisi normal tidak bertegangan tetapi dapat bertegangan saat terjadi gangguan isolasi.

Kode ini menentukan apakah arus gangguan mengalir lewat konduktor logam berimpedansi rendah (TN), lewat tanah yang resistansinya jauh lebih besar (TT), atau hampir tidak mengalir pada gangguan pertama (IT). Perbedaan jalur itu menentukan besar arus, dan besar arus menentukan pengaman apa yang mampu memutusnya dalam waktu yang disyaratkan PUIL 2020.

Sistem TN: jalur logam, arus besar, tiga varian

Pada sistem TN, titik netral trafo distribusi dibumikan langsung, dan BKT instalasi dihubungkan kembali ke titik itu melalui konduktor proteksi (312.2.1.1). Bila isolasi antara konduktor fasa dan badan peralatan rusak, arus gangguan mengalir melewati sirkit logam tertutup: dari fasa ke titik gangguan, lewat PE atau PEN ke titik netral trafo, lalu melalui kumparan trafo kembali ke fasa. Impedansinya rendah dan arus gangguannya puluhan hingga ratusan ampere pada sirkit akhir. PUIL 2020 411.4.4 menamai impedansi jalur itu $Z_\text{s}$, impedans lingkar gangguan (istilah PUIL 2020): sumber, konduktor lin sampai titik gangguan, dan konduktor proteksi kembali ke sumber.

$$I_\text{f} = \frac{U_0}{Z_\text{s}}, \qquad Z_\text{s} \approx Z_\text{e} + R_1 + R_2$$

dengan $I_\text{f}$ arus gangguan (A), $U_0$ tegangan nominal fasa ke bumi (230 V), $Z_\text{e}$ impedansi lingkar di hulu awal instalasi, yaitu trafo serta konduktor fasa dan PEN jaringan (Ω), serta $R_1$ dan $R_2$ resistansi konduktor fasa dan PE dari awal instalasi sampai titik gangguan (Ω). Asumsinya gangguan berimpedansi nol dan reaktansi kabel kecil; notasinya sama dengan bab uji pembumian. Arus gangguan biasanya jauh melebihi arus pengenal pengaman, sehingga MCB atau sekering dapat memutus dengan cepat; inilah keunggulan sistem TN. Syarat $Z_\text{s} \times I_\text{a} \le U_0$ dan waktunya dibahas pada bab proteksi kejut listrik.

TN-C

Konduktor PE dan N digabung menjadi satu konduktor PEN di seluruh sistem (Gambar 31C). Susunan ini menghemat satu konduktor, tetapi membawa bahaya yang dibahas di bawah. PUIL 2020 Bagian 4-41, 411.4.3, menyatakan TN-C dilarang: PEN tidak boleh dipakai setelah PHB (istilah PUIL 2020 juga PSDK) kecuali untuk sirkit masuk, dan tidak boleh ada gawai sakelar atau isolasi pada PEN. Bagian 4-44, 444.4.3.1, menegaskan larangan itu berlaku pada gedung lama maupun baru.

TN-S

Konduktor PE dan N terpisah di seluruh sistem (Gambar 31A1). Bagian 4-44, 444.4.3.2, mewajibkan TN-S di sisi hilir awal instalasi pada gedung baru dan menganjurkannya pada gedung lama yang berisi banyak peralatan teknologi informasi. Dalam kondisi normal PE tidak membawa arus beban, sehingga tidak ada tegangan jatuh sepanjang PE (Gambar 44.R3A).

TN-C-S dan titik pemisahan PEN

Pada TN-C-S, fungsi netral dan proteksi digabung dalam PEN di sebagian sistem, lalu dipisah. Gambar 31B2 memperlihatkan PEN yang dipisah di awal instalasi dengan keterangan "lazim di Indonesia"; 411.4 menyatakan sistem TN di Indonesia umumnya TN-C-S, dan Tabel G.1 (informatif) menyebut netral dihubungkan dengan konduktor proteksi di PHB atau meter kWh konsumen serta dibumikan. Karena itu sebagian besar laundry dan bengkel yang dipasok jaringan tegangan rendah umum berada dalam TN-C-S: PEN datang sampai awal instalasi, dan instalasi di dalam bangunan berjalan sebagai TN-S. Pada meter kWh prabayar satu fasa, penyatuan N dan PE sudah dibuat di meter (790.29); lihat bab sistem suplai tegangan rendah.

Pada titik pemisahan, PE dan N mendapat rel masing-masing, PEN masuk ke rel PE, dan keduanya tidak boleh dihubungkan kembali di hilir titik itu (PUIL 2000 3.13.2.8.3, sebagai rujukan cadangan; padanan IEC 60364-5-54). Lampiran A.5110.9 Bagian 5-511 meminta busbar proteksi di PHB utama TN-C-S dihubungkan dengan busbar netral dan dibumikan; pada TT hanya busbar proteksi yang dibumikan. Penampang PEN tidak boleh kurang dari 10 mm² tembaga atau 16 mm² aluminium (PUIL 2000 3.13.2.8.1, sebagai rujukan cadangan); IEC 60364-5-54 memuat angka yang sama, dan klausul PUIL 2020 Bagian 5-54 padanannya belum diverifikasi.

Sistem TT: jalur tanah, arus kecil, ketergantungan pada RCD

Pada sistem TT, titik netral trafo dibumikan di sisi sumber, tetapi BKT instalasi dihubungkan ke elektrode yang independen secara listrik dari elektrode sistem suplai (312.2.2, Gambar 31F1). Tidak ada konduktor logam yang menghubungkan PE instalasi ke titik netral sumber. Bila terjadi gangguan isolasi antara fasa dan badan peralatan, arus gangguan melewati dua resistansi secara seri: elektrode instalasi ditambah konduktor proteksinya ($R_\text{A}$) dan pembumian netral sumber ($R_\text{B}$).

$$I_\text{f} \approx \frac{U_0}{R_\text{A} + R_\text{B}}, \qquad U_\text{BKT} \approx I_\text{f}\, R_\text{A} = U_0\, \frac{R_\text{A}}{R_\text{A} + R_\text{B}}$$

dengan $U_\text{BKT}$ tegangan badan peralatan terhadap bumi jauh (V), dan impedansi konduktor diabaikan. Nilai $R_\text{A}$ bergantung pada resistivitas tanah, bentuk elektrode, dan musim; $R_\text{B}$ tidak dikendalikan pelanggan. Dengan $R_\text{A} = 80$ Ω dan $R_\text{B} = 2$ Ω seperti pada contoh kerja, arus gangguan hanya sekitar 2,8 A, di bawah arus pengenal MCB 16 A sekalipun. MCB tidak memutus, badan peralatan tetap bertegangan, dan risiko kejut listrik pada pengguna tinggi.

Karena itu PUIL 2020 411.5.2 menyatakan RCD (gawai proteksi arus sisa, GPAS) umumnya harus digunakan untuk proteksi gangguan pada TT, dan 411.5.4 melarang gawai proteksi arus lebih saja dipakai untuk itu. RCD bekerja berdasarkan selisih arus antara konduktor aktif yang melewatinya, bukan besar arus absolut. Syaratnya menurut 411.5.3 adalah $R_\text{A} \times I_{\Delta\text{n}} \le 50$ V, dengan $I_{\Delta\text{n}}$ arus operasi sisa pengenal RCD. Syarat itu tidak menuntut 30 mA: RCD 30 mA diwajibkan 411.3.3 sebagai proteksi tambahan untuk kotak kontak sampai 32 A yang dipakai orang awam, pada TN maupun TT (IT dengan arus gangguan pertama tidak melebihi 15 mA dikecualikan), sedangkan alasan fisiologis angka 30 mA dibahas pada bab bahaya listrik pada tubuh.

Tabel G.1 merekomendasikan TT, bila proteksinya lengkap, untuk gedung yang peka masalah kesesuaian elektromagnetik (EMC). Di laundry perkotaan yang dipasok jaringan umum, TT lebih jarang ditemui daripada TN-C-S, tetapi teknisi harus mampu mengidentifikasinya karena strategi proteksinya berbeda mendasar.

Sistem IT: dua gangguan dan pemantau isolasi

Pada sistem IT (PUIL 2020 411.6, padanan IEC 60364-4-41:2005+AMD1:2017), bagian aktif sumber diisolasi dari bumi atau satu titiknya dibumikan melalui impedansi yang cukup tinggi (411.6.1), dan BKT dibumikan secara individual, dalam kelompok, atau kolektif (411.6.2). Pada gangguan isolasi pertama antara satu fasa dan badan peralatan, hanya arus kecil yang mengalir melalui kapasitansi konduktor terhadap bumi dan impedansi pembumian sistem. PUIL 2020 411.6.2 meminta $R_\text{A} \times I_\text{d} \le 50$ V, dengan $I_\text{d}$ arus gangguan pertama yang memperhitungkan arus bocor dan impedansi pembumian total, sehingga pemutusan pada gangguan pertama tidak diperlukan. Peralatan tetap beroperasi, tetapi fasa sehat kini bertegangan antarfasa terhadap bumi; karena itu Tabel 443.2 catatan d mengarahkan sistem IT 220–240 V ke baris 230/400 V, prinsip yang juga dipakai bab keselamatan alat ukur.

Gangguan pertama harus diketahui. PUIL 2020 134.2.3.5 mewajibkan gawai monitor insulasi (GMI, insulation monitoring device) pada sistem IT, dan 411.6.3.1 meminta sinyal bunyi atau visual yang terus ada selama gangguan serta merekomendasikan gangguan dihilangkan secepat yang dapat dipraktikkan. Kalimat pembuka 411.6.3.1 berbunyi "didesain untuk mendiskoneksi dalam kejadian gangguan pertama", padahal padanannya di PUIL 2000 3.14.2.2 menyebut IT yang dipakai "untuk alasan kontinuitas suplai"; rumusan PUIL 2020 diduga salah terjemah; catatan yang sama dibahas pada bab sirkit kendali. GMI dibuat menurut IEC 61557-8. Bila resistansi isolasi turun di bawah ambang setel, misalnya 50 kΩ atau 100 kΩ (nilai ilustrasi), GMI membunyikan alarm.

Bila gangguan pertama dibiarkan dan terjadi gangguan kedua pada konduktor aktif lain, arus mengalir antarfasa melalui kedua badan peralatan dan konduktor proteksi di antaranya, dan pengaman harus memutus menurut 411.6.4. Bila BKT dibumikan kolektif, berlaku syarat serupa TN: $2\,I_\text{a} Z_\text{s} \le U$ tanpa netral terdistribusi atau $2\,I_\text{a} Z'_\text{s} \le U_0$ dengan netral terdistribusi, dengan $U$ tegangan antarfasa, $Z_\text{s}$ di sini lingkar konduktor lin dan PE sirkit saja tanpa sumber, dan $Z'_\text{s}$ lingkar netral dan PE; faktor 2 memperhitungkan kedua gangguan dapat berada di sirkit berbeda. Untuk dua lingkar sama besar, arusnya sekitar $U/(2Z_\text{s}) = 0{,}87\,U_0/Z_\text{s}$. Bila BKT dibumikan berkelompok atau individual, berlaku syarat serupa TT, $R_\text{A} \times I_\text{a} \le 50$ V.

Sistem IT dipilih bila kontinuitas suplai menjadi kebutuhan utama dan personel terlatih selalu siap menanggapi alarm; Tabel G.1 menyebut ruang khusus rumah sakit serta industri atau perkantoran khusus.

Mengapa TN-C dilarang dan bahaya PEN putus

PUIL 2020 menyatakan TN-C dilarang di dua tempat, 411.4.3 dan 444.4.3.1, dan Tabel G.1 memberi alasannya: risiko sentuh dan kebakaran yang tinggi serta masalah EMC. Catatan 444.4.3.1 menambahkan bahwa arus beban atau gangguan pada TN-C dapat dialihkan lewat ikatan ekuipotensial ke pipa dan struktur logam gedung. Ada pula konsekuensi pada pengaman: 411.4.5 melarang RCD dalam sistem TN-C, karena arus gangguan yang kembali lewat PEN juga melewati trafo arus RCD sehingga tidak terbaca sebagai arus sisa.

Potensial badan peralatan pada TN-C. PEN berfungsi sekaligus sebagai konduktor kembali arus beban dan sebagai konduktor proteksi. Dalam kondisi normal PEN membawa arus netral, sehingga ada tegangan jatuh sepanjang PEN, dan badan peralatan yang terhubung padanya berada pada potensial yang mengikuti arus beban; pada beban tidak seimbang besar tegangannya terhadap bumi lokal dapat mencapai beberapa volt, cukup untuk arus kecil saat disentuh dan arus liar di struktur logam.

PEN putus. Ini skenario paling berbahaya, dan menyangkut TN-C-S juga. Bila PEN putus di hulu titik pemisahan, termasuk di jaringan atau kabel sambungan, akibat korosi, sambungan longgar, atau kerusakan mekanis, beban di hilir kehilangan jalur kembali arus netral. Pada instalasi tiga fasa dengan beban tidak seimbang, titik netral beban bergeser: fasa berbeban ringan menerima tegangan lebih tinggi dan fasa berbeban berat lebih rendah, seperti diuraikan pada bab beban tak seimbang. Yang paling kritis, PEN di hilir titik putus, dan pada TN-C-S seluruh PE yang terikat padanya, tersambung ke fasa melalui impedansi beban. Potensialnya terhadap bumi bergantung pada ketidakseimbangan beban; pada instalasi satu fasa tanpa jalur lain ke bumi, badan semua peralatan kelas I naik hampir ke 230 V melalui beban yang menyala.

Elektrode lokal dan pembumian PEN di banyak titik mengurangi bahaya itu, tetapi tidak menghilangkannya. Catatan 411.4.1 menyebut pembumian PEN pada sejumlah titik sebagai contoh kondisi yang menjadi tanggung jawab perusahaan jaringan, dan 411.4.2 merekomendasikan konduktor proteksi dibumikan di tempat masuk setiap gedung. Bila PEN putus, arus netral mencari jalan lewat elektrode lokal $R_\text{A}$ dan tanah ke pembumian sistem $R_\text{B}$, sehingga dengan model resistif satu fasa

$$U_\text{PE} \approx U_0\, \frac{R_\text{A}}{R_\text{beban} + R_\text{A} + R_\text{B}}$$

Sebagai ilustrasi, beban 10 A pada 230 V ($R_\text{beban} = 23$ Ω) dan $R_\text{B} = 1$ Ω memberi $U_\text{PE} \approx 128$ V bila $R_\text{A} = 30$ Ω dan sekitar 40 V bila $R_\text{A} = 5$ Ω. Jadi elektrode pada TN-C-S tetap bermakna walaupun bukan kriteria pemutusan otomatis.

Petunjuk lapangannya perlu dibaca dengan benar. Pola khas PEN putus adalah tegangan satu fasa naik ketika fasa lain turun sementara tegangan antarfasa normal, sudah terlihat di awal instalasi, atau rangka logam dan pipa terasa bertegangan terhadap lantai. Voltmeter N-PE di titik pemisahan tidak menolong, karena N dan PE terikat di sana dan naik bersama. Cara membaca pola dari tiga tegangan terukur dibahas pada bab diagnosis instalasi.

Apa yang diberikan TN-S. Pada bagian instalasi yang sudah TN-S, bila konduktor N putus di hilir titik pemisahan, beban satu fasa dapat tidak bekerja atau rusak, tetapi badan peralatan tetap terhubung ke PE yang utuh dan berada pada potensial pembumian instalasi. Keuntungan itu tidak berlaku untuk putus PEN di hulu titik pemisahan. Kewajiban TN-S gedung baru sendiri ditempatkan PUIL 2020 di 444.4.3, subayat tentang pengaruh elektromagnetik.

Mengenali sistem pembumian dari lapangan dan dokumen

Sistem pembumian instalasi yang belum dikenal diidentifikasi sebelum bekerja, karena identifikasi yang keliru membuat pengaman salah dipilih.

1. Periksa dokumen instalasi. PUIL 2020 2.1.2.3 meminta diagram garis tunggal memuat pembumian sistem dengan mengacu pada 312.2; isi dokumen desain, lihat bab perencanaan instalasi. Dokumen adalah titik awal, bukan kesimpulan, karena instalasi dapat diubah tanpa pembaruan dokumen.
2. Periksa PHB utama. Busbar PE (hijau-kuning) dan busbar N (biru) yang terhubung di satu titik dan dibumikan menandakan TN-C-S dengan titik pemisahan di PHB itu. Busbar terpisah tanpa penghubung, dengan hanya PE menuju elektrode, cocok dengan TT (A.5110.9 b)), tetapi juga dengan TN-C-S yang titik pemisahannya di hulu PHB, misalnya di meter prabayar satu fasa yang terminal G-nya terikat ke netral (790.29); karena itu meter dan konduktor dari terminal G diperiksa dulu sebelum menyimpulkan TT. Satu busbar yang dipakai sebagai PE sekaligus N untuk sirkit keluar berarti bagian itu masih TN-C.
3. Lacak konduktor PE dan konduktor bumi. Pada TT, PE menuju elektrode lokal tanpa hubungan logam ke netral jaringan. Pada TN, PE terikat ke PEN atau netral jaringan, dan elektrode lokal merupakan pembumian tambahan. Uji resistansi isolasi N-PE bukan cara mengenali sistem; penghubung N-PE hanya dibuka saat seluruh instalasi bebas tegangan.
4. Cari pemantau isolasi. GMI di PHB utama adalah indikator kuat sistem IT; GMI yang sedang alarm menandakan gangguan pertama yang belum diperbaiki.

Bukti yang lebih definitif datang dari uji impedansi lingkar fasa-PE: lingkar yang rendah menandakan jalur logam TN, lingkar puluhan ohm atau lebih menandakan jalur tanah TT. Uji itu hanya dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD, dengan metode pada bab uji pembumian, impedansi lingkar gangguan, dan uji RCD.

Contoh kerja: menelusuri arus gangguan badan mesin cuci

Dua skenario berikut memakai data ilustrasi, 230 V fasa ke bumi, 50 Hz; label mengikuti IEC 81346-2. Penilaian formal terhadap Tabel 41.1 dibahas pada bab proteksi kejut listrik.

Skenario A: sistem TN-C-S. Mesin cuci satu fasa dengan motor -M1 (2,2 kW) disuplai MCB kurva C 16 A -F1; titik pemisahan PEN di PHB utama. Data: $Z_\text{e} = 0{,}10$ Ω; konduktor fasa PHB ke mesin $R_1 = 0{,}25$ Ω; PE mesin ke PHB $R_2 = 0{,}30$ Ω. Terjadi gangguan langsung fasa ke badan mesin.

Alasan langkah 3: pelepasan seketika kurva C menurut IEC 60898-1 berada pada 5–10 kali arus pengenal, jadi yang menjamin pemutusan adalah ujung atasnya. Dengan $I_\text{a} = 160$ A, $Z_\text{s}$ terbesar yang memenuhi $Z_\text{s} \times I_\text{a} \le U_0$ adalah $230/160 = 1{,}44$ Ω, jauh di atas 0,65 Ω. Gawai arus lebih cukup sebagai sarana pemutusan otomatis; kebutuhan RCD 30 mA sebagai proteksi tambahan ditentukan jenis sirkit dan lokasi, dibahas pada bab RCD.

Skenario B: sistem TT. Mesin dan MCB yang sama, tetapi $R_\text{A} = 80$ Ω (ilustrasi, tanah kering) dan $R_\text{B} = 2$ Ω (ilustrasi); impedansi konduktor diabaikan.

Alasan langkah 3: 2,8 A di bawah arus pengenal, sehingga pelepas termal pun tidak bekerja; IEC 60898-1 baru memastikan pemutusan dalam satu jam pada 1,45 kali arus pengenal. Alasan langkah 6: arus sisa jauh di atas $5 I_{\Delta\text{n}}$, sehingga RCD jenis umum memutus paling lama 40 ms, batas uji $5 I_{\Delta\text{n}}$ pada bab uji pembumian, impedansi lingkar gangguan, dan uji RCD. Syarat 411.5.3 dipenuhi RCD sampai $I_{\Delta\text{n}} = 50/80 = 0{,}625$ A; 30 mA dipilih bila sirkit juga butuh proteksi tambahan.

Perbandingan ini memperlihatkan mengapa sistem pembumian diidentifikasi sebelum memilih pengaman: strategi TN yang hanya mengandalkan MCB, bila dipakai pada TT, meninggalkan badan mesin bertegangan sekitar 224 V tanpa pemutusan otomatis, sedangkan pada TN badan naik sekitar 106 V hanya selama MCB memutus seketika. Kasus mesin cuci di pembuka cocok dengan skenario B dengan gangguan isolasi beresistansi pada solenoida pintu: badan naik sekitar 110 V, sedangkan arusnya jauh di bawah ambang MCB.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus dan ketentuan bab ini; angka keadaan yang bukan dari sumber ditandai angka latihan, dan hitungannya dicatat di peta sumber pengembangan. Uji lingkar dan pengukuran bertegangan dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Contoh 1: mengenali sistem dari uji lingkar di dua gedung hotel. Uji lingkar fasa-PE di kotak kontak gedung utama sebuah hotel memberi 0,72 Ω, sedangkan di paviliun yang berelektrode sendiri 64 Ω (angka latihan).

$$I_\text{f,utama} = \frac{230}{0{,}72} = 319\ \text{A}, \qquad I_\text{f,paviliun} \approx \frac{230}{64} = 3{,}6\ \text{A}$$

Gedung utama berjalur logam (TN): 319 A melewati 160 A, arus seketika pasti MCB kurva C 16 A. Paviliun berjalur tanah (TT): 3,6 A tidak menggerakkan MCB 16 A, sehingga RCD wajib (411.5.2, 411.5.4). Karena $R_\text{A}$ tidak lebih dari 64 Ω, syarat 411.5.3 dengan RCD 30 mA terpenuhi: $64 \times 0{,}03 = 1{,}9$ V. Dokumen dan busbar PHB paviliun tetap diperiksa sebelum kesimpulan dicatat.

Contoh 2: gangguan pertama sistem IT di ruang khusus rumah sakit. Tabel G.1 menyebut ruang khusus rumah sakit sebagai pemakai sistem IT. GMI di sebuah ruang khusus berbunyi karena L1 bocor ke badan peralatan; $R_\text{A} = 20$ Ω dan $I_\text{d} = 0{,}15$ A (angka latihan).

$$R_\text{A} \times I_\text{d} = 20 \times 0{,}15 = 3\ \text{V} \le 50\ \text{V}$$

Pemutusan pada gangguan pertama tidak diperlukan; syarat itu baru dilampaui bila $I_\text{d}$ melebihi $50/20 = 2{,}5$ A. Fasa sehat kini bertegangan kira-kira antarfasa terhadap bumi, jadi alarm tidak dimatikan atau diabaikan (kondisi berhenti butir 3), dan gangguan dihilangkan secepat yang dapat dipraktikkan oleh personel terlatih.

Contoh 3: gangguan kedua di rumah sakit yang sama. Sebelum gangguan pertama diperbaiki, L2 bocor ke badan peralatan lain. BKT dibumikan kolektif, netral tidak terdistribusi, kedua sirkit dilindungi MCB kurva C 10 A ($I_\text{a} = 100$ A), dan setiap lingkar $Z_\text{s} = 0{,}9$ Ω (angka latihan).

$$2\,I_\text{a} Z_\text{s} = 2 \times 100 \times 0{,}9 = 180\ \text{V} \le 400\ \text{V}, \qquad I \approx \frac{400}{2 \times 0{,}9} = 222\ \text{A}$$

Arus 2,2 kali $I_\text{a}$, sehingga kedua MCB memutus seketika menurut 411.6.4. Keunggulan kontinuitas sistem IT hilang: dua sirkit padam sekaligus karena alarm pertama dibiarkan.

Contoh 4: sisa TN-C di gedung lama hotel. Di sub-panel gedung lama sebuah hotel, satu busbar dipakai sebagai PE sekaligus N untuk sirkit kamar. Ruas PEN dari PHB utama beresistansi 0,10 Ω dan membawa arus netral 30 A pada jam sibuk (angka latihan). Dengan hukum Ohm dari Bab 1, badan semua peralatan yang terikat pada PEN itu naik sekitar $30 \times 0{,}10 = 3$ V terhadap bumi lokal, cukup untuk arus liar di pipa terikat. RCD 30 mA untuk kotak kontak kamar tidak dapat dipasang (411.4.5), dan bila PEN putus, badan mendekati 230 V. Bagian itu diubah menjadi TN-C-S setelah isolasi, sesuai 411.4.3.

Kondisi berhenti

1. Konduktor PEN yang diduga putus, pola tegangan fasa yang naik-turun berlawanan di awal instalasi, atau BKT yang terukur bertegangan terhadap tanah diperlakukan sebagai gangguan aktif. Pekerjaan dihentikan, orang dijauhkan dari badan logam dan lantai basah, sumber diisolasi; karena sakelar utama tidak memutus PEN, badan logam tetap diperlakukan bertegangan selama PEN jaringan yang putus masih dibebani instalasi lain, dan temuan dilaporkan kepada penanggung jawab instalasi; bila titiknya di sisi jaringan, operator jaringan dihubungi.
2. Konduktor bumi atau penghubung N-PE di titik pemisahan tidak dilepas selama instalasi, atau instalasi lain pada PEN yang sama, dapat membawa arus; pelepasan hanya setelah seluruh instalasi dibebaskan dan diverifikasi bebas tegangan menurut Bab 2 · Keselamatan.
3. Alarm GMI pada sistem IT tidak dimatikan atau diabaikan; sistem diperlakukan kehilangan cadangan keamanannya sampai gangguan pertama diperbaiki.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Resistansi pembumian harus di bawah 5 Ω untuk semua sistem." Tidak ada angka ohm tunggal untuk semua sistem. Pada TN, resistansi elektrode tidak menentukan arus gangguan karena jalurnya logam, walaupun elektrode berperan saat PEN putus. Pada TT, yang relevan $R_\text{A} \times I_{\Delta\text{n}} \le 50$ V (411.5.3), dan pada IT $R_\text{A} \times I_\text{d} \le 50$ V (411.6.2). Angka 5 Ω berasal dari PUIL 2000 3.13.2.10, yaitu resistansi pembumian total seluruh sistem PEN jaringan saluran udara (10 Ω di tanah beresistivitas sangat tinggi); PUIL 2000 3.15.2.1 menganjurkan $R_\text{A}$ TT tidak melebihi 100 Ω (PUIL 2000, sebagai rujukan cadangan).

"RCD tidak diperlukan jika pembumian bagus." Pada TN dengan impedansi lingkar rendah, proteksi gangguan memang dapat diserahkan pada MCB. Pada TT, 411.5.4 melarang gawai arus lebih saja sebagai proteksi gangguan, karena arus gangguan ditentukan $R_\text{A} + R_\text{B}$ yang sebagian di luar kendali pemilik dan berubah dengan musim. RCD wajib pada TT karena sifat fisik jalurnya, bukan karena pembumiannya buruk; elektrode tambahan tanpa RCD tidak menyelesaikan masalah proteksi.

"Sistem IT aman karena tidak ada arus gangguan." Sistem IT aman hanya selama gangguan pertama belum terjadi, atau sudah ditunjukkan GMI dan segera diperbaiki; gangguan kedua di fasa lain menjadi arus antarfasa yang besar. Di laundry atau bengkel tanpa staf teknis tetap, sistem IT tidak tepat diterapkan.

"TN-C boleh dipertahankan di instalasi lama." PUIL 2020 444.4.3.1 melarang TN-C pada gedung lama maupun baru, dan 10.5.1 meminta instalasi yang terpasang sebelum PUIL berlaku sedapat-dapatnya disesuaikan dalam waktu singkat. Instalasi lama yang masih TN-C diubah, terutama bila ada beban elektronik (inverter, VFD) yang menambah arus harmonisa pada PEN (lihat bab harmonisa), atau kabel data yang sejajar dengan PEN. Alasan "sudah lama berjalan" bukan justifikasi teknis.

Hubungan dengan bab lain

Prasyaratnya Bab 1, bab beban tak seimbang, bab keselamatan alat ukur, bab uji pembumian, impedansi lingkar gangguan, dan uji RCD, dan bab sistem suplai tegangan rendah. Syarat waktu pemutusan dibahas pada bab proteksi kejut listrik, pemilihan RCD pada bab RCD, elektrode, konduktor PE dan PEN, serta ikatan pada bab pembumian, konduktor proteksi, dan ikatan ekuipotensial. Sirkit kendali tak dibumikan dengan GMI dibahas pada bab sirkit kendali, pembumian mesin pada bab pemasangan lapangan mesin, dan diagnosis netral atau PEN putus pada bab diagnosis instalasi.

Latihan dan pembahasan

1. [Tafsir] Titik netral trafo distribusi dibumikan langsung; kabel masuk dari jaringan berisi tiga fasa dan satu PEN; di PHB utama busbar PE dan N dihubungkan di satu titik dan dibumikan, lalu PE dan N berjalan terpisah ke semua beban. Apa sistem pembumiannya? Sebutkan klausul PUIL 2020 yang mengaturnya.
2. [Hitung] Motor pompa -M1 pada instalasi TN-S. Data (ilustrasi): $Z_\text{e} = 0{,}08$ Ω, $R_1 = 0{,}40$ Ω, $R_2 = 0{,}50$ Ω, 230 V fasa ke bumi. Hitung arus gangguan untuk hubung pendek langsung fasa ke badan motor. Apakah MCB kurva C 20 A (pemutusan seketika pasti pada 10 kali arus pengenal) memutus seketika?
3. [Hitung dan tafsir] Instalasi laundry bersistem TT dengan $R_\text{A} = 120$ Ω (ilustrasi) dan RCD $I_{\Delta\text{n}} = 30$ mA. Periksa syarat PUIL 2020 411.5.3. Apa arti fisik syarat itu, dan apa yang dilakukan bila tidak terpenuhi?
4. [Hitung dan tafsir] Apa yang terjadi pada badan mesin cuci pada sistem TN-C bila PEN putus di antara trafo distribusi dan PHB bangunan saat mesin beroperasi? Apakah jawabannya berubah pada TN-C-S bila putusnya di kabel sambungan? Mengapa bahaya ini tidak terjadi pada bagian TN-S bila yang putus konduktor N dan PE utuh? Hitung $U_\text{PE}$ untuk beban satu fasa 5 A (230 V), $R_\text{B} = 1$ Ω, dan $R_\text{A} = 10$ Ω.
5. [Tafsir] Pada sistem IT sebuah fasilitas produksi, alarm GMI menyala karena gangguan langsung fasa L1 ke badan sebuah pompa; resistansi isolasi yang ditampilkan hampir nol (ambang setel 50 kΩ, ilustrasi). Operator melanjutkan produksi tanpa melapor. Dua jam kemudian terjadi gangguan kedua pada peralatan lain di fasa berbeda. Jelaskan perubahan arus gangguan dan mengapa tanggapan terhadap alarm GMI wajib.
6. [Tafsir] Di PHB bangunan ditemukan: (a) satu busbar dipakai sebagai PE sekaligus N untuk semua sirkit keluar; (b) konduktor dari busbar ini 10 mm² tembaga, langsung ke konduktor masuk dari tiang distribusi; (c) tidak ada elektrode lokal. Sistem apa yang kemungkinan dipakai? Apa risiko utamanya dan langkah apa yang ditempuh sesuai PUIL 2020?

Kunci jawaban beralasan

1. TN-C-S. T: netral sumber dibumikan langsung; N: BKT dihubungkan ke netral sumber lewat konduktor proteksi; C: PE dan N digabung (PEN) di hulu; S: dipisah menjadi PE dan N di PHB utama, titik masuk instalasi. Kabel masuk berisi PEN, jadi bukan TN-S sejak sumber. Rujukan: Bagian 3, 312.2 dan Gambar 31B2; 411.4; A.5110.9; dan 444.4.3.2, yang dipenuhi susunan ini.
2. $Z_\text{s} \approx 0{,}08 + 0{,}40 + 0{,}50 = 0{,}98$ Ω; $I_\text{f} = 230/0{,}98 \approx 235$ A; $I_\text{a} = 10 \times 20 = 200$ A. Karena 235 A > 200 A, MCB memutus seketika, tetapi margin hanya 1,17 kali; $Z_\text{s}$ maksimum $230/200 = 1{,}15$ Ω hanya sedikit di atas 0,98 Ω, dan kenaikan suhu kabel atau tegangan rendah dapat menghapusnya. Di lapangan nilai ini diukur personel kompeten dengan penguji impedansi lingkar berkategori ukur sesuai dan APD.
3. $120 \times 0{,}030 = 3{,}6$ V ≤ 50 V, jadi terpenuhi; $R_\text{A}$ terbesar untuk 30 mA adalah $50/0{,}030 \approx 1\,667$ Ω. Arti fisiknya: gangguan yang menaikkan badan mesin di atas 50 V mengalirkan arus lebih dari $50/R_\text{A}$, yang lebih besar dari $I_{\Delta\text{n}}$, sehingga RCD memutus; gangguan yang tidak memutus RCD hanya menaikkan badan di bawah 50 V. Pada gangguan langsung badan mesin tetap naik jauh di atas 50 V sampai RCD memutus. Angka 120 Ω melampaui anjuran PUIL 2000 3.15.2.1 (≤100 Ω, sebagai rujukan cadangan), tetapi kriteria PUIL 2020 terpenuhi. Bila tidak terpenuhi, elektrode diperbaiki untuk menurunkan $R_\text{A}$, RCD dengan $I_{\Delta\text{n}}$ lebih kecil dipakai, atau keduanya.
4. Pada TN-C, badan mesin terhubung ke PEN di hilir titik putus. PEN itu tersambung ke fasa melalui beban yang menyala dan kehilangan hubungan ke netral sumber, sehingga potensialnya naik menurut ketidakseimbangan beban; pada beban satu fasa tanpa jalur lain ke bumi, badan mesin mendekati 230 V. Pada TN-C-S jawabannya sama bila putusnya di hulu titik pemisahan, karena seluruh PE terikat ke PEN di titik itu; elektrode lokal menurunkan tegangannya menurut $U_0 R_\text{A}/(R_\text{beban} + R_\text{A} + R_\text{B})$ tetapi tidak menghilangkannya: $R_\text{beban} = 230/5 = 46$ Ω, $U_\text{PE} = 230 \times 10/57 \approx 40$ V. Pada bagian TN-S dengan N putus di hilir titik pemisahan, badan mesin tetap pada potensial PE yang utuh; mesin mungkin tidak bekerja normal, tetapi badannya tidak bertegangan berbahaya.
5. Pada gangguan pertama, arus hanya arus kapasitif dan bocor yang kecil, dan bila $R_\text{A} \times I_\text{d} \le 50$ V (411.6.2) dipenuhi, produksi boleh berlanjut; karena gangguannya langsung, fasa L2 dan L3 kini bertegangan kira-kira antarfasa terhadap bumi. Gangguan kedua di fasa lain membentuk lingkar antarfasa melalui kedua badan peralatan dan konduktor proteksi, digerakkan tegangan antarfasa; untuk dua lingkar sama besar arusnya sekitar $U/(2Z_\text{s})$, ratusan ampere pada sirkit akhir, dan pengaman harus memutus menurut 411.6.4. Tanggapan wajib karena GMI dipasang menurut 134.2.3.5 dan 411.6.3.1 justru supaya gangguan pertama dihilangkan sebelum cadangan keamanan itu habis.
6. TN-C di dalam bangunan: PEN dipakai setelah PHB untuk sirkit keluar. Penampang 10 mm² tembaga memenuhi minimum PEN (PUIL 2000 3.13.2.8.1, sebagai rujukan cadangan; IEC 60364-5-54), tetapi ukuran tidak membuat susunannya sah. Risikonya: PEN putus menaikkan semua badan peralatan; arus beban mengalir di PE dan logam terikat (catatan 444.4.3.1); RCD tidak boleh dipakai pada TN-C (411.4.5), jadi proteksi tambahan 30 mA tidak dapat dipasang. TN-C dilarang 411.4.3 dan 444.4.3.1. Langkahnya: laporkan kepada penanggung jawab instalasi; ubah menjadi TN-C-S dengan memisahkan PEN menjadi PE dan N berel terpisah di PHB utama dan PE tersendiri ke setiap sirkit; bumikan PE di tempat masuk gedung (411.4.2); pasang RCD sesuai 411.3.3. Pekerjaan dilakukan setelah isolasi dan verifikasi bebas tegangan menurut Bab 2 · Keselamatan, berkoordinasi dengan operator jaringan.

Referensi