Susut tegangan: rumus, batas, dan contoh

Bayangkan ruang produksi laundry komersial pada jam sibuk: mesin cuci besar baru dinyalakan, pompa air bekerja penuh, dan setrika uap aktif bersamaan. Tiba-tiba kontaktor penggerak motor bergetar, lampu di sudut ruangan meredup, dan mesin cuci tidak mau berputar penuh. Teknisi yang dikirim mencari kerusakan pada motor atau kontaktor, tetapi setelah diperiksa semua komponen dalam kondisi baik. Akar masalahnya bukan pada komponen, melainkan pada tegangan yang sampai di ujung instalasi sudah terlalu rendah. Fenomena ini disebut susut tegangan (istilah PUIL 2020: drop voltase), dan ia adalah penyebab diam-diam yang sering luput dari pemeriksaan rutin.

Bab ini menjelaskan mengapa susut tegangan terjadi, bagaimana menghitungnya dengan benar, berapa batas yang ditetapkan PUIL 2020, dan bagaimana menurunkannya sebelum instalasi dipasang. Bab ini berbeda dari bab kemampuan hantar arus (KHA): bab kemampuan hantar arus memastikan kabel tidak terlalu panas sehingga isolasi tidak rusak, sedangkan bab ini memastikan tegangan yang tiba di peralatan cukup agar peralatan bekerja sebagaimana dirancang. Keduanya harus dipenuhi secara bersamaan; lolos satu syarat tidak berarti lolos syarat lainnya.

Batas pembahasan

Pembahasan mencakup instalasi tegangan rendah 230/400 V, 50 Hz, dari terminal pelanggan dan papan hubung bagi (PHB; PUIL 2020 juga memakai istilah PSDK) utama hingga ke peralatan akhir. Contoh memakai kabel tembaga berisolasi. Susut tegangan pada jaringan tegangan menengah, di dalam transformator distribusi, dan mutu tegangan dari operator jaringan berada di luar cakupan; yang terakhir dibahas pada bab sistem suplai tegangan rendah. Susut tegangan pada sumber saat asut motor, termasuk genset, dihitung pada bab metode pengasutan motor. Rumus sistem berumbung busbar (SBB, busway) dari PUIL 2020 Bagian 5-513 disertakan sebagai pembanding, bukan sebagai topik utama. Angka pada contoh dan latihan adalah ilustrasi.

Penyebab susut tegangan

Setiap konduktor memiliki resistansi dan reaktansi. Ketika arus mengalir melalui konduktor tersebut, terjadi penurunan tegangan di sepanjang konduktornya sesuai hukum Ohm yang diperluas untuk rangkaian arus bolak-balik. Reaktansi induktif timbul karena arus bolak-balik di konduktor pergi dan pulang membentuk fluks magnet yang berubah-ubah di antara keduanya, dan fluks ini menginduksi gaya gerak listrik lawan pada lingkar itu. Pada kabel instalasi berpenampang kecil, resistansi jauh lebih dominan daripada reaktansi, tetapi pada kabel berpenampang besar, reaktansi tidak dapat diabaikan.

Komponen resistif. Resistansi kabel bergantung pada resistivitas bahan, panjang kabel, dan luas penampang. Pada suhu konduktor 70 °C (suhu kerja kabel berisolasi PVC), resistansi tembaga sekitar 20 % lebih besar daripada pada 20 °C. PUIL 2020 Bagian 5-52 Lampiran G memakai resistivitas layanan normal 1,25 kali resistivitas pada 20 °C, yaitu 0,0225 Ω·mm²/m untuk tembaga dan 0,036 Ω·mm²/m untuk aluminium. Nilai tembaga itu setara 1,25 × 0,018 Ω·mm²/m, sedikit di atas tembaga murni (sekitar 0,0172), sehingga memuat cadangan.

Komponen reaktif. Reaktansi induktif bergantung pada frekuensi, geometri pemasangan kabel, dan jarak antarkonduktor. Lampiran G memakai 0,08 mΩ/m bila tidak ada data lain. Faktor daya ($\cos\varphi$) beban menentukan seberapa besar komponen reaktif berperan. Beban dengan faktor daya rendah seperti motor yang sedang diasut menarik arus dengan komponen reaktif besar, dan komponen ini menimbulkan susut pada reaktansi kabel.

Impedansi kabel adalah kombinasi fasor dari resistansi dan reaktansi, seperti diuraikan pada bab reaktansi dan impedansi. Karena itu, yang menentukan susut adalah komponen arus sefase dikali resistansi ditambah komponen arus tergeser 90° dikali reaktansi, bukan besar arus dikali resistansi saja. Motor pompa dan penggerak drum di laundry faktor dayanya sekitar 0,75 hingga 0,90 saat jalan normal dan dapat turun hingga sekitar 0,3 hingga 0,4 saat asut menurut kisaran lazim buku teks mesin listrik; nilai pastinya dibaca dari lembar data motor.

Rumus susut tegangan

PUIL 2020 Bagian 5-52, Ayat 525, merujuk ke Tabel G.52.1, dan Lampiran G (informatif) memberikan rumus yang memperhitungkan resistansi, reaktansi, arus, panjang kabel, dan faktor daya beban:

$$u = b\left(\rho_1\,\frac{L}{S}\cos\varphi + x\,L\sin\varphi\right) I_\text{B}, \qquad \Delta u = 100\,\frac{u}{U_0}$$

dengan $u$ susut tegangan (V), $\Delta u$ susut relatif (%), $b$ koefisien rangkaian, $\rho_1$ resistivitas layanan normal (Ω·mm²/m), $L$ panjang sebenarnya jalur kabel satu arah (m), $S$ luas penampang konduktor (mm²), $x$ reaktansi per meter satu konduktor (Ω/m; PUIL menulisnya $\lambda$, bukan faktor daya), $I_\text{B}$ arus desain (A), dan $U_0$ tegangan fasa-netral (230 V). Suku $\rho_1/S$ adalah resistansi per meter satu konduktor, $r$, bukan resistansi total kabel bolak-balik; nilai ini juga dapat dibaca dari tabel pabrikan kabel, asalkan pada suhu kerja konduktor, bukan resistansi DC 20 °C. Bila rincian beban tidak diketahui, Lampiran G mengambil $\cos\varphi = 0{,}8$ ($\sin\varphi = 0{,}6$). Nilai $\sin\varphi$ dihitung dari $\sin\varphi = \sqrt{1 - \cos^2\varphi}$.

Sistem satu fasa (230 V): $b = 2$. Faktor 2 muncul karena arus mengalir pergi melalui konduktor fasa dan kembali melalui konduktor netral dengan besar yang sama. Kedua konduktor berkontribusi pada susut tegangan total. Sirkit tiga fasa yang bebannya sepenuhnya satu fasa dihitung sebagai sirkit satu fasa.

Sistem tiga fasa (400 V): $b = 1$. Pada beban tiga fasa seimbang, arus netral nol, sehingga susut per fasa hanya terjadi pada konduktor fasa dan dihitung sebagai susut fasa-netral terhadap $U_0$. Susut antarfasa adalah $\sqrt{3}$ kali susut fasa-netral, sehingga bentuk yang banyak dipakai buku teks

$$u_\text{antarfasa} = \sqrt{3}\,I_\text{B}\,L\left(r\cos\varphi + x\sin\varphi\right)$$

dibagi $U = 400$ V memberi persentase yang sama dengan bentuk PUIL dibagi $U_0 = 230$ V, terlepas dari pembulatan $400/\sqrt{3} \approx 231$ V. Asumsinya beban seimbang pada ketiga fasa dan frekuensi 50 Hz.

Rumus ini adalah pendekatan komponen memanjang: ia mengabaikan komponen susut yang tegak lurus terhadap tegangan. Pendekatan ini teliti bila susutnya kecil, seperti pada kondisi jalan. Saat asut, faktor daya rendah dan kabel yang resistif membuat komponen tegak lurus besar, sehingga susut sebenarnya sedikit lebih besar dari hasil rumus (lihat contoh kerja). Nilai persentase inilah yang dibandingkan dengan batas PUIL 2020.

Untuk SBB, PUIL 2020 Bagian 5-513 Lampiran C.5130 (informatif) memberikan rumus yang serupa dalam bentuk antarfasa: $u = k\sqrt{3}\left(R\cos\varphi + X\sin\varphi\right) I_\text{B}\,L$, dengan $R$ dan $X$ resistansi dan reaktansi rerata per meter dari pabrikan. Faktor $k$ adalah faktor distribusi beban: $k = 1$ bila beban terkumpul di ujung jalur, dan $k = (n+1)/2n$ bila beban tersebar merata di antara $n$ cabang. Dasar fisikanya sama dengan rumus kabel; karakteristik SBB tidak dibahas pada rak ini.

Batas PUIL 2020 dan tabel informatif G.52.1

PUIL 2020 memuat dua acuan yang harus dipahami secara berbeda. Pertama, PUIL 2020 Bagian 2, 2.2.3.1, menyatakan bahwa susut tegangan antara terminal pelanggan dan sembarang titik instalasi tidak boleh melebihi 4 % dari tegangan pengenal di terminal pelanggan. Kata "tidak boleh" menjadikannya persyaratan normatif yang harus dipenuhi perancang. Arus yang dipakai untuk menghitungnya ditetapkan: kebutuhan maksimum menurut 2.3.1 untuk sirkit utama dan sirkit cabang, dan menurut 2.3.5 untuk sirkit akhir, dengan catatan bahwa arus sirkit akhir tidak perlu melebihi beban tersambungnya atau arus pengenal gawai proteksinya. Ketentuan itu berlaku untuk arus kontinu dan secara eksplisit dinyatakan tidak berlaku untuk start motor, penutupan solenoid, dan operasi lain yang menimbulkan arus transien tinggi.

Untuk instalasi rumah, 2.2.3.1 memberi keringanan: susut di sirkit akhir yang jalurnya tidak lebih dari 25 m boleh diabaikan, dan sirkit yang lebih panjang dihitung dengan 50 % arus pengenal gawai proteksinya. Batas 4 % ini menggantikan 5 % pada PUIL 2000, yang tidak dipakai lagi, seperti diuraikan pada bab membaca norma kelistrikan.

Kedua, Tabel G.52.1 dalam PUIL 2020 Bagian 5-52 Lampiran G bersifat informatif; Bagian 5-52 diadopsi dari IEC 60364-5-52, yang memuat lampiran padanannya. Ayat 525 hanya menyatakan bahwa susut antara awal instalasi dan peralatan sebaiknya tidak lebih besar dari nilai tabel itu, bila tidak ada pertimbangan lain. Nilainya adalah susut total dari awal instalasi sampai titik beban, dibedakan menurut jenis suplai: jaringan tegangan rendah publik (misalnya PLN) atau suplai tegangan rendah privat. Catatan tabel menganjurkan agar susut di sirkit akhir instalasi jenis B sedapat mungkin tidak melebihi nilai jenis A, dan bila sistem perkawatan utama lebih panjang dari 100 m, nilai tabel boleh ditambah 0,005 % per meter di atas 100 m, paling banyak 0,5 %. Tafsir editor untuk angka jenis B yang lebih longgar: awal instalasi jenis B adalah sumber tegangan rendah milik sendiri, seperti trafo pelanggan, sehingga anggarannya ikut mencakup distribusi yang pada jenis A menjadi bagian jaringan publik.

Kedua acuan ini sering dicampur di lapangan. Cara membacanya: 4 % adalah batas yang tidak boleh dilampaui dalam desain untuk semua jenis beban, sedangkan Tabel G.52.1 adalah anjuran yang hanya berguna bila lebih ketat, yaitu 3 % untuk penerangan dan anjuran sirkit akhir pada instalasi jenis B. Angka 5 % dan 8 % tidak dapat dipakai untuk melonggarkan 4 %. Dalam praktik, perancang yang baik akan membagi anggaran susut tegangan 4 % antara kabel utama dari PHB utama ke PHB cabang dan kabel akhir dari PHB cabang ke peralatan, sehingga akumulasi susut dari seluruh rantai tidak melebihi 4 %.

Kabel sistem deteksi dan alarm kebakaran memakai batas lain dengan titik ukur yang lain. SNI 03-3985-2000 pasal 12.2.7.9 meminta penampang kabel dipilih sehingga pada beban kerja maksimum susut tegangan di titik terjauh dari panel kontrol tidak lebih dari 5 %. Titik awalnya panel alarm, bukan terminal pelanggan, dan lingkupnya kabel yang dicatu panel, misalnya sirkit sounder 24 V DC; kabel 230 V yang mencatu panel tetap diperiksa terhadap 4 % dari terminal pelanggan. Kedua angka tidak saling membatalkan karena mengukur bagian rangkaian yang berbeda. Pada sirkit DC, rumus satu fasa di atas dipakai dengan $\cos\varphi = 1$ dan $\sin\varphi = 0$, dan 5 % dari 24 V hanya 1,2 V. Sirkit sounder 0,8 A sejauh 60 m dengan kabel 1,5 mm² (angka latihan dari Bab 21 · Bangunan & Fasilitas) sudah susut 1,44 V atau 6,0 %, sedangkan kabel 2,5 mm² memberi 0,86 V atau 3,6 %. SNI 03-3985-2000 masih merujuk PUIL 2000, sehingga status pasal itu terhadap PUIL 2020 belum dapat dipastikan; Bab 21 · Bangunan & Fasilitas tentang rangkaian dan perkabelan alarm kebakaran menghitung kedua pemeriksaan dan menambahkan batas pabrik bila lebih ketat.

Susut tegangan saat asut motor dan dampaknya

Kondisi asut motor adalah kondisi paling berat dari sudut pandang susut tegangan. Saat motor diasut langsung (direct-on-line, DOL), arus asut umumnya sekitar 4 hingga 8 kali arus pengenal, bergantung pada jenis dan ukuran motor; nilainya dibaca dari lembar data. Bersamaan dengan itu, faktor daya saat asut rendah, umumnya sekitar 0,3 hingga 0,4. Kombinasi arus tinggi dan faktor daya rendah ini menghasilkan susut tegangan yang jauh lebih besar daripada kondisi operasi normal. Karena itulah PUIL 2020 2.2.3.1 menyatakan bahwa batas 4 % tidak berlaku untuk start motor, dan catatan Ayat 525 serta Tabel G.52.1 menerima susut yang lebih besar selama periode start asalkan variasi tegangan tetap di dalam batas standar peralatan yang bersangkutan.

Susut saat asut terjadi di dua tempat yang akibatnya berbeda. Susut di kabel motor, antara PHB dan terminal motor, hanya dirasakan motor itu. Susut di sumber dan di kabel hulu sampai PHB dirasakan semua beban di PHB itu, termasuk kontaktor. Susut di sumber, termasuk genset, dihitung dari perbandingan impedansi motor saat asut dengan impedansi sumber; cara hitungnya dibahas pada bab metode pengasutan motor.

Dampak pada kontaktor. Kontaktor harus menutup pada 85–110 % tegangan kendali pengenal, dan kontaktor yang sudah menutup baru melepas di suatu titik antara 75 % dan 20 % tegangan pengenal koil AC. Jika tegangan koil saat asut turun di bawah 85 %, penarikan kontaktor tidak dijamin, sehingga gerak jangkar dapat tidak tuntas atau kontaktor bergetar (chattering). Kontaktor biasanya terpasang di PHB dan koilnya disuplai dari sirkit kendali di PHB itu, sehingga tegangan koilnya ditentukan susut sumber dan kabel hulu, bukan susut kabel motor di hilirnya. Meskipun batas 4 % tidak berlaku saat asut, rak ini memakai kriteria tegangan koil tidak turun di bawah 85 % selama arus asut mengalir; kriteria yang sama dipakai pada bab metode pengasutan motor. Susut pada kabel kendali yang panjang menambah penurunan ini dan dihitung pada bab logika kendali dasar.

Dampak pada torsi motor. Seluruh kurva torsi motor induksi sebanding dengan kuadrat tegangan di terminal motor. Jika tegangan turun 10 % dari nominal, torsi pada setiap kecepatan turun menjadi $(0{,}90)^2 = 0{,}81$ kali torsi pada tegangan pengenal di kecepatan yang sama. Penurunan torsi ini memperpanjang waktu asut dan dapat membuat motor gagal mencapai putaran penuh, terutama pada beban bertorsi tetap atau beban dengan torsi lepas diam tinggi, seperti drum mesin cuci penuh muatan. Pompa sentrifugal yang torsinya naik kira-kira dengan kuadrat kecepatan umumnya lebih mudah diasut, tetapi waktu asutnya ikut memanjang.

Dampak pada motor itu sendiri. Motor yang gagal mencapai putaran penuh akan terus menarik arus tinggi (mendekati arus asut) dalam waktu lama. Kondisi ini menyebabkan panas berlebih pada belitan stator dan rotor. Jika berlangsung cukup lama tanpa proteksi beban lebih yang memadai, isolasi belitan dapat rusak permanen. Inilah mengapa waktu asut dan proteksi termal perlu dihitung bersama susut tegangan; keduanya dibahas pada bab memilih motor untuk beban dan bab proteksi motor.

Kontaktor yang bergetar adalah tanda peringatan bahwa tegangan koilnya tidak memadai, dan karena kontaktor yang sudah menutup baru melepas di bawah 75 %, getaran kontaktor yang sudah bekerja menandakan susut yang dalam. Setiap siklus buka-tutup kontaktor yang tidak sempurna menghasilkan busur api kecil pada permukaan kontak, yang secara bertahap merusak permukaan kontak dan memperpendek umur kontaktor.

Cara menurunkan susut tegangan

Susut tegangan dapat dikurangi melalui beberapa pendekatan teknis yang saling melengkapi. Pendekatan terbaik adalah menggabungkan beberapa cara sekaligus dalam tahap perencanaan, karena perubahan setelah instalasi terpasang jauh lebih mahal dan rumit. PUIL 2020 Bagian 8-1 (efisiensi energi) menganjurkan penempatan sumber dan panel dekat pusat berat beban serta pengoptimalan rute kabel untuk mengurangi rugi energi, dan mencatat bahwa cara ini juga menghindari pembesaran kabel hanya demi batas susut tegangan.

Perbesar penampang kabel. Menambah luas penampang konduktor mengurangi resistansi per satuan panjang secara berbanding terbalik: kabel tembaga 4 mm² memiliki resistansi 2,5/4 = 0,625 kali kabel 2,5 mm². Reaktansi hampir tidak berubah dengan penampang, sehingga pada penampang besar manfaat tiap kenaikan ukuran makin kecil. Penampang yang terlalu besar juga menambah biaya material, berat, dan ukuran terminal serta gland yang harus disesuaikan.

Dekatkan PHB ke beban. Memindahkan PHB lebih dekat ke kelompok beban secara langsung memperpendek panjang kabel sirkit akhir. Karena $L$ dalam rumus berpangkat satu, memotong panjang sebuah ruas kabel setengahnya memotong susut di ruas itu setengahnya. Kabel penyulang ke PHB baru tetap menimbulkan susut, tetapi karena penampangnya besar dan arusnya dipakai bersama, susut totalnya biasanya lebih kecil daripada menarik banyak kabel akhir yang panjang. Ini sering menjadi solusi paling efisien biaya untuk instalasi skala menengah.

Bagi sirkit secara tepat. Memisahkan beban besar ke sirkit tersendiri mencegah arus besar mengalir di kabel yang sama dengan beban lain. Pemisahan sirkit motor dari sirkit penerangan juga mengurangi kedipan lampu saat motor diasut, karena kedipan itu adalah susut pada impedansi yang dipakai bersama. Susut yang terjadi di sumber atau kabel hulu yang dipakai bersama tidak hilang dengan pemisahan sirkit dan ditangani dengan metode asut.

Perbaikan faktor daya dengan kapasitor bank mengurangi komponen reaktif arus di hulu titik pemasangan kapasitor, tetapi komponen aktifnya tetap karena daya aktif beban tetap. Pada kabel instalasi berpenampang kecil, susut ditentukan terutama oleh komponen aktif pada resistansi, sehingga perbaikan faktor daya hampir tidak mengubah susutnya; penurunan yang nyata hanya terjadi pada jalur yang reaktansinya besar, seperti trafo atau kabel berpenampang besar yang panjang. Perancangan kapasitor bank dibahas pada bab perbaikan faktor daya.

Pemilihan antara memperbesar kabel dan memindahkan PHB mempertimbangkan biaya total. Untuk sekelompok beban yang jauh, memindahkan PHB sering lebih ekonomis; untuk satu beban, memperbesar penampang satu atau dua ukuran lebih praktis.

Contoh kerja: kabel 60 m ke pompa 5,5 kW tiga fasa

Data beban (ilustrasi). Motor pompa -M1 tiga fasa 5,5 kW, 400 V, 50 Hz, efisiensi 90 %, faktor daya jalan 0,84, faktor daya asut 0,35, arus asut 7 kali arus pengenal, diasut langsung oleh kontaktor -Q1 di PHB area cuci.

Data kabel (ilustrasi). Kabel -W1 tembaga berisolasi PVC, 4 × 4 mm², panjang jalur 60 m dari PHB area cuci ke pompa. Resistansi per meter $r = \rho_1/S = 0{,}0225/4 = 5{,}625$ mΩ/m dan reaktansi $x = 0{,}08$ mΩ/m, keduanya nilai Lampiran G. Susut dari terminal pelanggan sampai PHB area cuci pada arus kebutuhan maksimum diandaikan sudah dihitung 1,2 %.

Langkah 1: arus pengenal. Alasan: susut dihitung dengan arus desain, dan untuk motor ini adalah arus pengenalnya. Daya masukan = daya keluaran dibagi efisiensi = 5.500 W ÷ 0,90 = 6.111 W. Dari $P = \sqrt{3}\,U I \cos\varphi$ untuk sistem tiga fasa seimbang,

$$I_\text{B} = \frac{6\,111}{\sqrt{3} \times 400 \times 0{,}84} = \frac{6\,111}{582{,}0} \approx 10{,}5\ \text{A}$$

Nilai 10,5 A dipakai untuk perhitungan selanjutnya.

Langkah 2: susut kondisi jalan normal. Alasan: inilah kondisi yang dibatasi 2.2.3.1. Untuk $\cos\varphi = 0{,}84$, $\sin\varphi = \sqrt{1 - 0{,}7056} = \sqrt{0{,}2944} \approx 0{,}543$. Suku dalam kurung adalah $0{,}005625 \times 0{,}84 + 0{,}00008 \times 0{,}543 = 0{,}004725 + 0{,}0000434 = 0{,}004768$ Ω/m. Dengan $b = 1$:

$$u = 10{,}5 \times 60 \times 0{,}004768 = 3{,}00\ \text{V}, \qquad \Delta u = 100 \times \frac{3{,}00}{230} = 1{,}31\ \%$$

Bentuk antarfasa memberi $\sqrt{3} \times 3{,}00 = 5{,}20$ V, atau 1,30 % dari 400 V, hasil yang sama. Susut total dari terminal pelanggan adalah $1{,}2 + 1{,}31 = 2{,}51$ %, di bawah batas 4 % normatif PUIL 2020 dan di bawah 5 % acuan Tabel G.52.1, sehingga kabel 4 mm² memenuhi syarat susut untuk kondisi operasi normal. KHA diperiksa terpisah.

Langkah 3: susut di kabel saat asut. Alasan: susut ini menentukan tegangan di terminal motor, dan karena itu torsi asutnya. Arus asut = 7 × 10,5 A = 73,5 A. Untuk faktor daya asut 0,35, $\sin\varphi = \sqrt{1 - 0{,}1225} = \sqrt{0{,}8775} \approx 0{,}937$. Suku dalam kurung adalah $0{,}005625 \times 0{,}35 + 0{,}00008 \times 0{,}937 = 0{,}001969 + 0{,}000075 = 0{,}002044$ Ω/m:

$$u_\text{asut} = 73{,}5 \times 60 \times 0{,}002044 = 9{,}01\ \text{V}, \qquad \Delta u_\text{asut} = 100 \times \frac{9{,}01}{230} = 3{,}92\ \%$$

Dalam bentuk antarfasa, susutnya $\sqrt{3} \times 9{,}01 = 15{,}6$ V. Hitungan fasor penuh memberi susut sedikit lebih besar dari rumus: 10,2 V (4,4 %) bila arus asut dianggap tetap 73,5 A, atau 9,7 V (4,2 %) bila motor dimodelkan sebagai impedansi tetap, model yang dipakai pada bab metode pengasutan motor, karena komponen tegak lurus yang diabaikan rumus pendekatan cukup besar saat asut.

Langkah 4: tafsir kondisi asut. Alasan: dua akibat susut asut diperiksa di tempat yang berbeda. Terminal motor menerima sekitar 96 % dari tegangan PHB selama asut (95,6–95,8 % menurut hitungan fasor), sehingga kabel ini sendiri menurunkan torsi asut menjadi sekitar $0{,}961^2 = 0{,}92$ kali torsi yang akan dihasilkan motor pada tegangan PHB. Kontaktor -Q1 terpasang di PHB, sehingga susut di -W1 tidak mengurangi tegangan koilnya. Yang menentukan penarikan -Q1 dan kontaktor lain di PHB adalah tegangan PHB saat arus asut 73,5 A mengalir melalui sumber dan kabel hulu; menurut kriteria rak ini, tegangan di koil, yaitu tegangan PHB dikurangi susut kabel kendalinya, tidak boleh turun di bawah 85 % tegangan pengenal koil. Data sumber tidak tersedia pada contoh ini.

Kesimpulan. Kabel 4 mm² × 60 m memenuhi batas 4 % untuk kondisi normal (2,51 % total). Susut asut di kabel ini, sekitar 4 %, tidak dinilai terhadap batas 4 % karena 2.2.3.1 mengecualikan start motor; yang dinilai akibatnya. Bila torsi rotor terkunci motor 2,3 $T_\text{N}$ pada tegangan PHB (ilustrasi), di terminal motor tersisa sekitar $2{,}3 \times 0{,}92 = 2{,}1\ T_\text{N}$, jauh di atas kebutuhan pompa sentrifugal saat diam. Tidak perlu menaikkan penampang; penarikan kontaktor diperiksa dari tegangan PHB.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus dan nilai Lampiran G bab ini; angka yang bukan dari sumber ditandai angka latihan.

Contoh 1: penerangan koridor hotel. Sirkit penerangan koridor sebuah hotel yang disuplai jaringan tegangan rendah PLN (jenis A) memikul 8 A pada faktor daya 0,9 di ujung kabel tembaga 2,5 mm² sepanjang 40 m; susut hulu sampai PHB lantai 1,2 % (semuanya angka latihan). Dengan $b = 2$ dan $\sin\varphi = 0{,}436$:

$$u = 2\left(0{,}0225 \times \frac{40}{2{,}5} \times 0{,}9 + 0{,}00008 \times 40 \times 0{,}436\right) \times 8 = 5{,}21\ \text{V}, \qquad \Delta u = 100 \times \frac{5{,}21}{230} = 2{,}26\ \%$$

Totalnya 3,46 %: lolos 4 % normatif, tetapi di atas anjuran 3 % untuk penerangan. Kabel 4 mm² memberi 3,26 V atau 1,42 %, total 2,62 %, sehingga anjuran yang lebih ketat itu juga terpenuhi.

Contoh 2: jalur utama panjang di rumah sakit. Rumah sakit bertrafo sendiri (jenis B) mempunyai perkawatan utama 160 m (angka latihan). Catatan Tabel G.52.1 membolehkan tambahan $0{,}005 \times 60 = 0{,}3$ %, di bawah batas 0,5 %, sehingga anjuran penggunaan lain menjadi 8,3 %. Hitungan perancang memberi 4,6 % ke pompa di ujung gedung (angka latihan). Angka 8,3 % tidak menolongnya: batas normatif 2.2.3.1 tetap 4 %, sehingga penampang atau letak PHB diubah.

Contoh 3: kontaktor pompa hotel bergetar. Pompa transfer air hotel diasut langsung oleh kontaktor berkoil 230 V di PHB pompa. Personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD mencatat tegangan fasa-netral PHB 228 V sebelum asut dan 192 V selama asut (angka latihan). Terhadap tegangan pengenal koil, $192/230 = 83{,}5$ %, di bawah kriteria 85 %, sehingga penarikan kontaktor tidak dijamin, sesuai gejala getarnya. Kontaktor lain yang sudah menutup bertahan karena 83,5 % di atas 75 %. Batas 4 % tidak dipakai di sini, dan memperbesar kabel motor tidak menolong koil; susut sumber dan kabel hulu ditangani lewat metode asut.

Salah tafsir yang sering terjadi

Mengabaikan faktor daya dalam rumus. Banyak panduan lama menghitung susut tegangan hanya dengan resistansi dikali arus dan panjang, tanpa $\cos\varphi$ dan komponen reaktif. Rumus yang disederhanakan ini hanya tepat untuk beban resistif murni ($\cos\varphi = 1$). Untuk beban motor dengan $\cos\varphi = 0{,}8$ dan nilai Lampiran G, hasilnya sekitar 24 % terlalu besar pada kabel 4 mm², hampir tepat pada 95 mm², dan sekitar 24 % terlalu kecil pada 240 mm². Jadi, pada kabel kecil kesalahannya membuat kabel dipilih berlebihan, sedangkan pada kabel besar desain yang tampak memenuhi syarat dapat ternyata melampaui batas.

Menggunakan panjang kabel bolak-balik pada rumus yang sudah memuat faktornya. Faktor 2 dalam rumus satu fasa sudah memperhitungkan bahwa arus mengalir pergi dan pulang. Untuk sistem tiga fasa, $b = 1$ atau faktor $\sqrt{3}$ pada bentuk antarfasa sudah mengakomodasi geometri rangkaiannya. Memasukkan panjang bolak-balik ke rumus itu menggandakan hasil, sehingga kabel dipilih terlalu besar tanpa perlu. Kesalahan kebalikannya, memakai rumus tanpa faktor 2 untuk sirkit satu fasa, menghasilkan susut separuh dari yang sebenarnya.

Menganggap batas 4 % berlaku saat asut. PUIL 2020 2.2.3.1 secara jelas mengecualikan start motor. Yang perlu diperiksa saat asut bukan batas 4 %, melainkan apakah tegangan di koil kontaktor cukup untuk menarik (minimal 85 % dari tegangan pengenal koil) dan apakah tegangan di terminal motor cukup untuk menghasilkan torsi asut yang dibutuhkan beban. Kedua tegangan itu diukur di tempat yang berbeda.

Mencampur nilai normatif dan informatif dari PUIL 2020. Menyatakan bahwa "PUIL 2020 mengizinkan susut 5 % untuk motor" adalah penyederhanaan yang keliru. Nilai 5 % berasal dari Tabel G.52.1 yang bersifat informatif dan khusus untuk suplai dari jaringan publik. Batas normatif yang mengikat tetap 4 %. Tabel informatif berguna sebagai anjuran bila lebih ketat, bukan sebagai pengganti batas normatif.

Mengikuti rumus dan anjuran buku ajar yang keliru. Satu buku ajar instalasi di korpus menyamakan susut tegangan dengan batas toleransi tegangan suplai +10 %/−15 %, menulis rumus berkonstanta tembaga tanpa faktor 2 atau $\sqrt{3}$ dan tanpa faktor daya, serta menyebut kabel menjadi panas karena tegangan turun. Toleransi tegangan suplai urusan operator jaringan, sedangkan susut adalah selisih di dalam instalasi, dan panas kabel ditentukan arus dan resistansi. Anjurannya menaikkan tegangan trafo distribusi juga salah alamat: susut di kabel pelanggan diatasi di kabel dan tata letak instalasi sendiri.

Memindahkan batas antara instalasi umum dan kabel alarm kebakaran. Angka 4 % PUIL 2020 diukur dari terminal pelanggan untuk instalasi umum, sedangkan 5 % SNI 03-3985-2000 pasal 12.2.7.9 diukur dari panel alarm ke titik terjauh untuk kabel yang dicatu panel. Kabel alarm diperiksa terhadap batas SNI, ditambah batas pabrik bila lebih ketat, dan kabel catu panel terhadap 4 %; tidak satu pun dipakai untuk melonggarkan yang lain.

Hubungan dengan bab lain

Bentuk $R\cos\varphi + X\sin\varphi$ dan akibat faktor daya rendah pada arus kabel diturunkan pada bab daya AC, impedansi fasor pada bab reaktansi dan impedansi, dan hubungan fasa-netral dengan antarfasa pada bab sistem tiga fasa. Bab kemampuan hantar arus menentukan penampang minimum agar kabel tidak terlalu panas; untuk sirkit sepanjang beberapa puluh meter atau lebih, syarat susut tegangan sering menjadi penentu penampang. Arus hitungnya, kebutuhan maksimum, ditetapkan pada bab perencanaan instalasi, dan pemeriksaan KHA serta susut pada kabel suplai mesin laundry dikerjakan pada bab pemasangan lapangan mesin.

Motor yang gagal diasut karena tegangan rendah harus diputus relai beban lebih sebelum belitannya rusak (bab proteksi motor), sedangkan proteksi kabel dibahas pada bab proteksi arus lebih. Ambang tarik dan lepas kontaktor diuraikan pada bab reaktansi dan impedansi dan dipakai lagi pada bab komponen kendali, dan susut kabel kendali dihitung pada bab logika kendali dasar. Bab 52 merangkai asut langsung dan bintang-segitiga, sedangkan pemilihan metode asut dan susut pada trafo dan genset dibahas pada bab metode pengasutan motor, dan pengasut lunak pada bab soft starter. Pengukuran tegangan di dua titik untuk membedakan susut sisi suplai dari susut instalasi dibahas pada bab diagnosis instalasi; pengukuran pada instalasi bertegangan hanya dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD, dan isolasi serta verifikasi bebas tegangan mengikuti Bab 2 · Keselamatan. Batas 5 % SNI 03-3985-2000 untuk kabel alarm kebakaran, dari panel ke titik terjauh, beserta contoh sirkit sounder 24 V dibahas di Bab 21 · Bangunan & Fasilitas tentang rangkaian dan perkabelan alarm kebakaran.

Latihan dan pembahasan

1. Hitung susut satu fasa. Sebuah pemanas listrik satu fasa 2.200 W dipasang di ruang pemrosesan laundry. Tegangan suplai 230 V, $\cos\varphi = 1{,}00$ (beban resistif murni). Kabel tembaga yang digunakan memiliki panjang 25 m dengan resistansi 9,18 mΩ/m per konduktor dan reaktansi 0,08 mΩ/m per konduktor (ilustrasi). Hitung susut tegangan dalam volt dan persen. Apakah memenuhi batas PUIL 2020?
2. Hitung susut tiga fasa. Sebuah motor tiga fasa 7,5 kW, 400 V beroperasi pada $\cos\varphi = 0{,}82$ dengan efisiensi 88 % (ilustrasi). Kabel tembaga 6 mm² ditarik sepanjang 45 m dengan $r = 3{,}69$ mΩ/m dan $x = 0{,}09$ mΩ/m (ilustrasi). Hitung arus operasi dan susut tegangan relatif. Apakah memenuhi batas 4 % PUIL 2020?
3. Analisis asut. Pada instalasi soal 2, arus asut motor adalah 6 kali arus pengenal dengan faktor daya asut 0,32 (ilustrasi). Kontaktor -Q1 dengan koil 400 V terpasang di PHB, di awal kabel. Hitung susut kabel saat asut dan torsi relatif di terminal motor. Apakah hasil ini cukup untuk menyimpulkan bahwa -Q1 akan menarik dengan andal?
4. Tafsir regulasi. Seorang teknisi menyatakan bahwa instalasi motor di bengkelnya boleh memiliki susut tegangan hingga 8 % karena bengkel menggunakan suplai privat sendiri dan ia mengacu pada Tabel G.52.1 PUIL 2020. Apakah pernyataan ini benar? Jelaskan hubungan antara Tabel G.52.1 yang informatif dengan 2.2.3.1 yang normatif.
5. Perbandingan solusi. Sebuah pompa tiga fasa 4 kW, 400 V, arus 8,3 A, $\cos\varphi = 0{,}80$, dipasang 80 m dari PHB dengan kabel tembaga 2,5 mm² (nilai Lampiran G). Susut dari terminal pelanggan sampai PHB sudah 2,5 % (ilustrasi). Hitung susut total, sebutkan dua cara untuk menurunkannya ke bawah 4 %, dan tentukan ukuran kabel bila jarak ke PHB tidak dapat dikurangi.
6. Dampak torsi. Sebuah motor yang dirancang beroperasi pada 400 V menerima tegangan 360 V saat asut akibat susut tegangan yang berlebihan. Hitung torsi yang tersedia sebagai persentase dari torsi pada tegangan pengenal. Apa konsekuensi praktisnya bila beban adalah pompa sentrifugal, dan bila beban adalah drum mesin cuci penuh muatan?

Kunci jawaban beralasan

1. Arus beban $I = 2\,200/230 = 9{,}57$ A, dan $\sin\varphi = 0$. Susut $u = 2 \times 9{,}57 \times 25 \times 0{,}00918 = 4{,}39$ V, atau $4{,}39/230 = 1{,}91$ %. Sirkit ini sendiri berada di bawah 4 %, tetapi batas 2.2.3.1 berlaku dari terminal pelanggan, sehingga instalasi memenuhi syarat hanya bila susut hulu sampai PHB pemanas tidak lebih dari $4 - 1{,}91 = 2{,}09$ %. Untuk beban resistif murni, komponen reaktif tidak berperan sama sekali karena $\sin\varphi = 0$.
2. Daya masukan $7\,500/0{,}88 = 8\,523$ W; arus $I = 8\,523/(\sqrt{3} \times 400 \times 0{,}82) = 8\,523/568{,}1 = 15{,}0$ A. $\sin\varphi = \sqrt{1 - 0{,}6724} = 0{,}572$. Suku dalam kurung $0{,}003026 + 0{,}0000515 = 0{,}003077$ Ω/m, sehingga $u = 15{,}0 \times 45 \times 0{,}003077 = 2{,}08$ V fasa-netral atau 0,90 % (bentuk antarfasa: $\sqrt{3} \times 2{,}08 = 3{,}60$ V dari 400 V, 0,90 %). Kesimpulan akhirnya bergantung pada susut hulu.
3. Arus asut $6 \times 15{,}0 = 90{,}0$ A; $\sin\varphi = \sqrt{1 - 0{,}1024} = 0{,}947$. Suku dalam kurung $0{,}001181 + 0{,}0000853 = 0{,}001266$ Ω/m, sehingga $u = 90 \times 45 \times 0{,}001266 = 5{,}13$ V fasa-netral atau 2,2 % (8,88 V antarfasa). Terminal motor menerima sekitar 97,8 % tegangan PHB, dan torsinya $0{,}978^2 = 0{,}96$ kali torsi pada tegangan PHB. Hasil ini tidak cukup untuk menilai -Q1: kontaktor berada di awal kabel, sehingga koilnya tidak merasakan susut kabel ini. Penarikan -Q1 dinilai dari tegangan PHB saat 90 A mengalir melalui sumber dan kabel hulu, dengan kriteria 85 %; jawaban "kontaktor menarik karena 97,8 %" salah tempat pengukurannya.
4. Tidak benar. Tabel G.52.1 memang mencantumkan 8 % untuk penggunaan selain penerangan pada instalasi jenis B (suplai tegangan rendah privat), tetapi tabel itu informatif dan Ayat 525 hanya menyatakan susut "sebaiknya" tidak melebihinya. Bagian 2, 2.2.3.1, yang normatif menyatakan susut dari terminal pelanggan ke titik mana pun tidak boleh melebihi 4 % (pada suplai privat, editor menafsirkan terminal pelanggan sebagai awal instalasi tegangan rendah, misalnya terminal sekunder trafo sendiri), dan anjuran yang lebih longgar tidak dapat melonggarkannya. Tabel G.52.1 berguna bila lebih ketat, misalnya 3 % untuk penerangan dan anjuran agar sirkit akhir instalasi jenis B tidak melebihi nilai jenis A.
5. Dengan 2,5 mm²: suku dalam kurung $0{,}0225/2{,}5 \times 0{,}8 + 0{,}00008 \times 0{,}6 = 0{,}007248$ Ω/m; $u = 8{,}3 \times 80 \times 0{,}007248 = 4{,}81$ V atau 2,09 %; total $2{,}5 + 2{,}09 = 4{,}59$ %, melampaui 4 %. Dua cara: (1) memperbesar penampang kabel pompa; (2) memasang PHB cabang lebih dekat ke pompa dengan penyulang berpenampang besar, atau menurunkan susut hulu 2,5 % itu. Bila jarak dan susut hulu tetap, anggaran kabel pompa tinggal 1,5 %. Kabel 4 mm² memberi $0{,}005625 \times 0{,}8 + 0{,}000048 = 0{,}004548$ Ω/m, $u = 3{,}02$ V atau 1,31 %, total 3,81 %, lolos; 6 mm² (total 3,38 %) memberi cadangan lebih.
6. Rasio tegangan $360/400 = 0{,}90$, sehingga torsi pada setiap kecepatan menjadi $0{,}90^2 = 0{,}81$ kali, atau 81 % dari torsi pada tegangan pengenal. Bila torsi rotor terkunci motor pada tegangan pengenal misalnya $2{,}3\ T_\text{N}$ (ilustrasi), yang tersisa $1{,}86\ T_\text{N}$. Pompa sentrifugal menuntut torsi kecil saat kecepatan rendah, sehingga biasanya tetap terasut, hanya lebih lambat dan lebih panas. Drum penuh muatan menuntut torsi hampir tetap sejak diam; bila torsi minimum motor selama akselerasi setelah dikali 0,81 mendekati torsi beban, motor dapat tertahan di kecepatan rendah dengan arus mendekati arus asut sampai relai beban lebih memutus, atau belitan rusak bila proteksinya lambat.

Referensi