Tegangan lebih, proteksi surja, dan proteksi petir

Papan kendali mesin cuci komersial mati mendadak setelah hujan deras. Teknisi membuka panel, menemukan komponen terbakar pada modul elektronik, dan menyimpulkan bahwa mesin disambar petir. Diagnosis itu sebagian benar, tetapi bukan petir yang menyentuh mesin secara langsung. Surja tegangan yang merambat melalui kabel instalasi itulah yang merusak papan kendali. Di bengkel dan laundry dengan penggerak frekuensi variabel (variable frequency drive, VFD), kejadian serupa perlu diwaspadai: papan kendali dan elektronika di sekitarnya dapat rusak oleh lonjakan tegangan yang berlangsung hanya beberapa mikrodetik.

Pertanyaan praktisnya: dari mana tegangan lebih itu datang, bagaimana standar menyatakan ketahanan peralatan, gawai apa yang melindungi instalasi, di mana gawai itu dipasang, dan kapan pemasangannya diwajibkan PUIL 2020. Tegangan sentuh akibat gangguan isolasi ada pada bab proteksi kejut listrik; uraian di sini membahas tegangan lebih transien dan sementara serta proteksinya.

Batas pembahasan

Dicakup: PUIL 2020 442 dan 443, kategori tegangan lebih, SPD pada sirkit daya AC, kewajiban proteksi surja, proteksi petir eksternal secara ringkas (IEC 62305), dan klaim ESE.

Tidak dicakup: SPD untuk jaringan data dan telekomunikasi (IEC 61643-22, yang oleh PUIL 2020 443.1 dikecualikan dari Ayat 443); mitigasi EMC khusus VFD, yang dibahas pada bab VFD: instalasi, EMC, harmonisa, dan arus bocor; perhitungan desain sistem proteksi petir lengkap, yang menjadi pekerjaan perancang proteksi petir yang kompeten; prosedur kerja pada instalasi bertegangan; harga, merek, atau rekomendasi pabrikan tertentu.

Ayat 443.1 mengharuskan pemilihan dan pemasangan SPD mengikuti Ayat 534 SNI 0225-5-53. Bagian 5-53 tidak ada di salinan PUIL 2020 korpus, sehingga ketentuan pemilihan SPD ditulis dari IEC 60364-5-53:2019+AMD1:2020+AMD2:2024 dan ringkasan sekunder; klausul PUIL 2020 padanannya belum diverifikasi. Proteksi petir eksternal bangunan berada di luar ruang lingkup PUIL 2020 (Bagian 1, 11.3 i); PUIL hanya mencakup efek fenomena atmosfer pada instalasi listrik.

Sumber tegangan lebih

Tegangan lebih pada instalasi tegangan rendah berasal dari empat mekanisme dengan bentuk, durasi, dan penanganan berbeda.

Petir langsung dan tidak langsung. Sambaran petir langsung pada bangunan atau jaringan distribusi menginjeksikan arus impuls yang sangat besar, dapat mencapai puluhan kiloampere, ke dalam sistem pembumian dan kabel instalasi. Ini kejadian dengan energi tertinggi dan paling merusak, tetapi sambaran langsung pada bangunan kecil relatif jarang. Ancaman yang lebih sering adalah sambaran tidak langsung: petir menyambar tanah di dekat bangunan atau menyambar jaringan distribusi di luar bangunan, lalu pulsa tegangan merambat masuk melalui kabel daya atau kabel data. PUIL 2020 443.6.1 mencatat bahwa tegangan lebih transien yang dibawa jaringan suplai tidak banyak teredam ke hilir sebagian besar instalasi.

Mekanisme lain yang berkaitan dengan petir adalah induksi elektromagnetik. Arus petir yang besar menghasilkan medan magnet yang berubah cepat di sekelilingnya. Kabel instalasi yang membentuk lingkar di dalam atau di luar bangunan berperan seperti belitan sekunder transformator, sehingga tegangan induksi muncul walaupun tidak ada jalur konduksi langsung. Luas lingkar yang besar dan laju perubahan arus ($\mathrm{d}i/\mathrm{d}t$) yang tinggi memperbesar tegangan induksi; PUIL 2020 444.1 menyebut kedua faktor itu.

Penyakelaran. Operasi pemutus sirkit, kontaktor, atau sakelar beban menghasilkan tegangan lebih penyakelaran (switching overvoltage). Ketika rangkaian induktif seperti motor, transformator, atau solenoida diputus, energi dalam medan magnetnya memaksa arus terus mengalir sesaat, dan tegangan naik tajam sampai terjadi busur di celah kontak; mekanismenya ada pada bab magnet dan induksi. Menurut 443.1, amplitudonya umumnya lebih rendah daripada tegangan lebih asal atmosfer, tetapi dapat berlangsung lebih lama dan membawa energi lebih besar; kejadiannya lebih sering karena dapat muncul pada operasi sakelar beban induktif. Ayat 443.4 meminta proteksi terhadap tegangan lebih penyakelaran dipertimbangkan bila instalasi memuat generator, motor, transformator, bank kapasitor, atau beban arus tinggi.

Netral putus. Netral putus (broken neutral) pada sistem tiga fasa 230/400 V menghasilkan jenis tegangan lebih yang berbeda sifatnya: bukan transien singkat, melainkan tegangan lebih sementara pada frekuensi daya yang dapat berlangsung lama. Bila konduktor netral di hulu beban terputus, beban satu fasa yang tidak seimbang terhubung seri melintasi tegangan antarfasa. Titik netral beban bergeser ke arah fasa berbeban berat: beban ringan (impedansi tinggi) menerima tegangan di atas 230 V dan beban berat di bawahnya. PUIL 2020 442.3 mengharuskan hal ini diperhitungkan: isolasi dan komponen berating fasa-netral dapat terkena tegangan sampai $\sqrt{3}\,U_0$. Klausul 442.5 menambahkan kasus hubung pendek fasa-netral, yang dapat menaikkan tegangan fasa lain terhadap netral sampai $1{,}45\,U_0$ selama paling lama 5 s. Pergeseran titik netral dihitung pada bab beban tak seimbang.

Kategori tegangan lebih dan tegangan impuls pengenal

PUIL 2020 443.6, mengacu pada IEC 60664-1, membagi peralatan ke dalam empat kategori tegangan lebih berdasarkan posisinya dalam instalasi dan ketersediaan layanan yang diharapkan. Tegangan impuls pengenal ($U_\text{w}$) adalah nilai tegangan ketahanan impuls yang ditetapkan pabrikan untuk peralatan, yang mencirikan kemampuan isolasinya menahan tegangan lebih transien (443.3.6). Nilai minimum untuk sistem 230/400 V dimuat dalam Tabel 443.2, dan nilai itu diterapkan antara konduktor aktif dan PE (catatan kaki c tabel).

Semakin kecil nilai $U_\text{w}$, semakin rentan peralatan terhadap surja. Peralatan kategori I menurut 443.6.2 d) sebaiknya tidak dipasang pada atau dekat awal instalasi, dan hanya sesuai bila proteksi surja di luar peralatan membatasi tegangan ke tingkatnya. Kategori sebuah VFD atau papan kendali mesin dibaca dari dokumen pabrikannya, bukan diandaikan dari jenis peralatannya. Ketahanan impuls ditentukan terutama oleh jarak bebas (clearance) dan isolasi padat menurut IEC 60664-1, seperti diuraikan singkat pada bab arus bolak-balik; kategori ukur alat ukur yang sejajar dengan kategori ini ada pada bab keselamatan alat ukur.

SPD Tipe 1, 2, dan 3: letak, parameter, dan koordinasi

Gawai proteksi surja (surge protective device, SPD; istilah PUIL 2020: GPS) adalah gawai dengan sekurangnya satu komponen nonlinear yang membatasi tegangan surja dan mengalihkan arus surja (443.3.4). SPD dikelompokkan dalam tiga tipe menurut arus uji dan lokasinya; IEC 61643-11:2025 menyebutnya SPD kelas uji I, II, dan III dan dipakai bersama IEC 61643-01:2024, sedangkan pemilihan dan penerapannya mengacu pada IEC 61643-12:2020.

Parameter utama. Dua parameter yang paling menentukan adalah tegangan operasi kontinu maksimum ($U_\text{c}$) dan tingkat proteksi tegangan ($U_\text{p}$). $U_\text{c}$ harus di atas tegangan tertinggi yang dapat terjadi terus-menerus, agar SPD tidak menghantar dan menua pada kondisi normal. Untuk TN dan TT 230/400 V, ringkasan IEC 60364-5-53 mensyaratkan $U_\text{c}$ fasa-netral dan fasa-PE sekurang-kurangnya $1{,}1\,U_0 = 253$ V dan netral-PE sekurang-kurangnya $U_0$, dengan nilai katalog yang lazim 260 V ke atas. $U_\text{p}$ adalah tegangan maksimum di terminal SPD saat SPD bekerja; nilainya harus di bawah $U_\text{w}$ peralatan yang dilindungi. Ringkasan yang sama memakai 2,5 kV (kategori II) sebagai tingkat proteksi terpasang yang umum untuk instalasi 230/400 V. $U_\text{c}$ tidak dirancang untuk menahan netral putus; tegangan $\sqrt{3}\,U_0$ menurut 442.3 jauh di atasnya, sehingga SPD harus gagal secara aman dan dilepas oleh pemutus internal atau pengaman cadangannya.

Efek induktansi kabel sambungan. Konduktor yang menghubungkan terminal SPD ke konduktor aktif dan ke rel PE memiliki induktansi. Saat arus surja mengalir dengan laju perubahan tinggi, muncul tegangan tambahan

$$U_L = L\,\frac{\mathrm{d}i}{\mathrm{d}t}$$

dengan $L$ induktansi total kabel sambungan (H) dan $\mathrm{d}i/\mathrm{d}t$ laju kenaikan arus surja (A/s). Untuk arus frekuensi tinggi, induktansi kabel sambungan sekitar 1 µH/m, dan gelombang 8/20 µs berpuncak 8 kA menimbulkan kenaikan sekitar 1 kV per meter kabel (ringkasan sekunder). Angka itu setara dengan pendekatan $\mathrm{d}i/\mathrm{d}t \approx I/T_1$, dengan $T_1 = 8$ µs waktu muka gelombang 8/20: $8\,000/(8 \times 10^{-6}) = 1$ kA/µs. Peralatan di dekat SPD menerima kira-kira tingkat proteksi efektif

$$U_\text{p/f} \approx U_\text{p} + U_L$$

Rumus ini pendekatan, bukan batas atas: $I/T_1$ adalah kecuraman rata-rata muka gelombang 8/20, sedangkan kecuraman maksimumnya sekitar 1,2 kali lebih besar dan terjadi ketika tegangan SPD sudah mendekati $U_\text{p}$; surja nyata juga dapat bermuka lebih curam. Karena itu hasilnya dibaca dengan cadangan, bukan sebagai angka pas. Istilah "efektif" di sini berarti tegangan yang benar-benar sampai ke peralatan, bukan nilai efektif (rms). Sebagai ilustrasi, arus 10 kA 8/20 µs pada kabel sambungan 1 m memberi $U_L \approx 10^{-6} \times 10\,000/(8 \times 10^{-6}) = 1{,}25$ kV, sebanding dengan $U_\text{p}$ SPD itu sendiri. Karena itu panjang total sambungan SPD ke jaringan dan ke terminal pembumian sebaiknya tidak melebihi 50 cm (anjuran sumber sekunder yang merujuk IEC 60364-5-53), dan kabel sambungan yang panjang membatalkan manfaat $U_\text{p}$ yang rendah.

Koordinasi SPD. Koordinasi berarti memastikan SPD yang lebih dekat ke sumber surja memikul sebagian besar energi, sehingga SPD hilir yang lebih kecil tidak menerima beban melebihi kemampuannya. Masalahnya berasal dari tegangan kerja yang berbeda: SPD hilir dengan tegangan jepit lebih rendah dapat menghantar lebih dulu dan menarik arus sebelum SPD hulu mencapai tegangan kerjanya. Induktansi kabel di antara keduanya menimbulkan beda tegangan yang membantu SPD hulu bekerja. Apakah panjang kabel tertentu sudah cukup bergantung pada teknologi kedua SPD dan dibuktikan dengan data koordinasi pabrikan; bila jaraknya tidak cukup, dipakai SPD kombinasi Tipe 1+2 yang dirancang terkoordinasi atau induktor pemisah sesuai petunjuk pabrikan.

Posisi terhadap RCD dan pengaman cadangan. SPD di PHB utama biasanya dipasang di sisi suplai RCD (gawai proteksi arus sisa, GPAS), sehingga arus surja ke PE tidak melewati RCD. Pada sistem TT, SPD di hulu RCD dipasang dengan susunan fasa-netral ditambah netral-PE (susunan 3+1), supaya kegagalan SPD tidak menjadi gangguan bumi yang tidak terdeteksi RCD (ringkasan sekunder; klausul IEC 60364-5-53 belum diverifikasi). Bila SPD berada di hilir RCD, RCD tipe S lebih tahan terhadap trip tak diinginkan akibat surja; ciri tipe S ada pada bab RCD. SPD juga memerlukan pengaman cadangan arus lebih sesuai data pabrikan agar kegagalan SPD tidak menjadi hubung pendek yang bertahan (PUIL 2020 5110.9.1.4). Pemasangan fisik di PHB mengikuti bab PHB dalam instalasi, yang memuat ketentuan "proteksi lengkap" PSDK (5110.8.4.3) termasuk GPS.

Kapan proteksi surja wajib dan metode penilaian risiko

PUIL 2020 443.4 mewajibkan proteksi terhadap tegangan lebih transien bila konsekuensi tegangan lebih memengaruhi: a) kehidupan manusia, misalnya layanan keselamatan dan fasilitas medis; b) layanan publik dan warisan budaya, misalnya pusat TI dan museum; c) aktivitas komersial atau industri, misalnya hotel, bank, industri, pasar, dan pertanian. Laundry komersial, bengkel, dan produksi industri ringan termasuk butir c), sehingga proteksi surja wajib tanpa perlu menghitung risiko; laundry yang menempati rumah tinggal tetap diperlakukan sebagai aktivitas komersial (tafsir editorial). Untuk semua kasus lain, manajemen risiko menurut 443.5 dilakukan; bila tidak dilakukan, instalasi harus dilengkapi proteksi surja. Unit rumah tunggal dikecualikan dari kewajiban ini.

Ayat 443 sendiri berlaku untuk tegangan lebih yang datang lewat jaringan suplai dan untuk penyakelaran. Proteksi terhadap sambaran langsung atau dekat struktur dinilai dengan manajemen risiko IEC 62305-2, dan Ayat 443 tidak berlaku untuk struktur berisiko ledakan atau struktur yang kerusakannya dapat melibatkan lingkungan (443.1).

Metode CRL. CRL (calculated risk level, tingkat risiko yang dihitung) adalah angka untuk menentukan perlu tidaknya proteksi terhadap tegangan lebih transien asal atmosfer (443.3.5, 443.5):

$$\text{CRL} = \frac{f_\text{env}}{L_\text{p}\,N_\text{g}}, \qquad L_\text{p} = 2L_\text{PAL} + L_\text{PCL} + 0{,}4\,L_\text{PAH} + 0{,}2\,L_\text{PCH}$$

dengan $f_\text{env}$ faktor lingkungan ($85F$ untuk pedesaan dan suburban, $850F$ untuk urban, $F$ = 1 sampai 3 menurut Tabel 443.1; ilustrasi di bawah memakai $F = 1$, nilai yang paling aman), $N_\text{g}$ kerapatan sambaran petir ke tanah (sambaran/km²/tahun), dan $L_\text{p}$ panjang asesmen risiko (km) dari panjang saluran udara tegangan rendah ($L_\text{PAL}$), kabel tanah tegangan rendah ($L_\text{PCL}$), saluran udara tegangan menengah ($L_\text{PAH}$), dan kabel tanah tegangan menengah ($L_\text{PCH}$). Panjang totalnya dibatasi 1 km atau jarak dari gawai proteksi tegangan lebih pertama di jaringan ke titik masuk instalasi, mana yang lebih kecil; bila panjang tidak diketahui, sisanya dianggap saluran udara tegangan rendah. Bila data $N_\text{g}$ tidak ada, catatan 443.5 memberi $N_\text{g} = 0{,}1\,T_\text{d}$ dengan $T_\text{d}$ jumlah hari guruh per tahun. CRL ≥ 1.000 berarti proteksi tidak diperlukan; CRL < 1.000 berarti diperlukan.

Sebagai gambaran (ilustrasi), bangunan urban dengan $F = 1$ yang disuplai kabel tanah tegangan rendah 1 km ($L_\text{p} = 1$) di lokasi 100 hari guruh per tahun ($N_\text{g} = 10$) memberi CRL $= 850/(1 \times 10) = 85$, jauh di bawah 1.000. Dengan susunan yang sama, CRL sudah di bawah 1.000 begitu $T_\text{d}$ melampaui 8,5 hari guruh per tahun. Indonesia memiliki aktivitas petir tinggi, sehingga hasil CRL cenderung menuntut proteksi; data hari guruh atau kerapatan sambaran untuk lokasi dapat dicari dari BMKG. CRL hanya menjawab perlu tidaknya proteksi, bukan tipe SPD; tipe ditentukan oleh ada tidaknya proteksi petir eksternal dan oleh $U_\text{w}$ peralatan.

Proteksi petir eksternal: ringkasan dan kewajiban pemeriksaan

Sistem proteksi petir eksternal mencegat sambaran petir dan mengalirkan arus impuls ke tanah melalui jalur yang terkendali, jauh dari struktur bangunan dan instalasi di dalamnya. Edisi yang berlaku adalah IEC 62305-1 sampai -4 edisi 3 (2024); IEC 62305-3 mengatur desain sistem ini. SNI IEC 62305-1:2013 adalah adopsi nasional yang berbasis edisi lebih lama. Sistem ini terdiri atas tiga bagian: terminasi udara yang menangkap sambaran di puncak bangunan, konduktor turun yang mengalirkan arus dari atap ke tanah, dan sistem pembumian yang menyebarkan arus ke tanah.

Terminasi udara (air termination) dapat berupa batang vertikal, konduktor jala di atas atap, atau kombinasi keduanya. Penempatannya ditentukan dengan salah satu dari tiga metode IEC 62305-3: sudut proteksi, bola bergulir (rolling sphere), atau jala (mesh method). Radius bola bergulir bergantung pada tingkat proteksi petir (lightning protection level, LPL) hasil kajian risiko: 20 m untuk LPL I, 30 m untuk LPL II, 45 m untuk LPL III, dan 60 m untuk LPL IV.

Konduktor turun (down conductor) menghubungkan terminasi udara ke sistem pembumian. Jumlah dan jaraknya bergantung pada keliling bangunan dan kelas sistem proteksi; jalurnya dibuat lurus dan sesingkat mungkin, tanpa lekukan tajam atau lingkar yang menaikkan impedansi. Di dekat tanah dipasang sambungan uji (test joint) untuk inspeksi dan pengukuran. PUIL 2020 444.4.2 h) mensyaratkan kabel daya dan sinyal dipisah dari konduktor turun dengan jarak minimum yang ditentukan perancang proteksi petir menurut IEC 62305-3, atau diberi skrin.

Sistem pembumian proteksi petir menyebarkan arus surja agar tidak timbul beda potensial berbahaya. Elektrodenya dapat berupa batang vertikal atau elektrode cincin di sekeliling fondasi. IEC 62305-3 menekankan bentuk dan panjang minimum elektrode yang bergantung pada kelas proteksi dan resistivitas tanah, dengan resistansi rendah sebagai anjuran, bukan satu angka ohm menurut LPL. PUIL 2020 444.5.1 mengharuskan semua elektrode bumi bangunan, yaitu proteksi, fungsional, dan proteksi petir, diinterkoneksi. Pemisahan elektrode petir dari pembumian instalasi tanpa ikatan justru menimbulkan beda potensial saat sambaran; prinsip ikatan ekuipotensial dan terminal pembumian utama ada pada bab pembumian dan ikatan ekuipotensial.

Kewajiban pemeriksaan. Di tempat kerja, instalasi penyalur petir diatur Permenaker PER.02/MEN/1989 tentang Pengawasan Instalasi Penyalur Petir, yang diubah Permenaker 31/2015; Pasal 49A-nya dicabut Permenaker 11/2026 yang berlaku sejak 3 Juli 2026. Pemeriksaan dan pengujiannya meliputi kondisi fisik terminasi udara, konduktor turun, sambungan, dan pengukuran pembumian, dengan hasil yang didokumentasikan. Pemilik fasilitas memastikan jadwal pemeriksaan dipatuhi dan temuan pemeriksa ditindaklanjuti. Regulasi Kemnaker adalah kewajiban hukum; IEC 62305 edisi 2024 adalah praktik desain terbaru.

Klaim ESE dan posisi IEC 62305

Terminasi udara early streamer emission (ESE) dipromosikan dengan klaim bahwa terminal ini memancarkan pemimpin ke atas (upward leader) lebih awal, sehingga satu terminal melindungi "radius proteksi" yang jauh lebih besar daripada batang konvensional, dihitung dari waktu pra-pelepasan ($\Delta T$) yang dinyatakan pabrikan. Satu buku ajar korpus menulis radius proteksi sampai 120 m. Teknisi perlu memahami posisi standar internasional yang berlaku.

IEC 62305-3 tidak memuat metode ESE dan tidak memberi tambahan zona proteksi berdasarkan waktu pra-pelepasan. Metode radius ESE memang dibakukan dalam standar nasional tertentu, misalnya NF C 17-102 di Prancis, tetapi tidak menjadi bagian seri IEC 62305 yang dirujuk PUIL 2020 (sekunder). Terminal ESE hanya dapat dihitung sebagai batang terminasi udara biasa dengan dimensi fisiknya, dan desain harus memakai salah satu dari tiga metode yang diakui. Konsekuensinya, fasilitas yang hanya memasang satu terminal ESE di atap berdasarkan radius brosur kemungkinan besar tidak memenuhi IEC 62305; bagian atap dan sisi bangunan di luar cakupan desain yang benar tetap rentan.

Contoh kerja: menempatkan SPD di PHB utama dan di dekat VFD mesin

Situasi (ilustrasi). Sebuah laundry komersial memiliki dua mesin cuci industri yang masing-masing digerakkan VFD. Dokumen pabrikan menyatakan papan kendali elektronik mesin berkategori tegangan lebih I dengan $U_\text{w}$ = 1,5 kV. PHB utama berada di ruang panel; panel mesin berjarak 15 m. Suplai TN-C-S, tanpa sistem proteksi petir eksternal. Label mengikuti IEC 81346-2.

Langkah 1: tentukan kewajiban dan tipe SPD. Alasan: tipe bergantung pada sumber surja yang dihadapi. Laundry adalah aktivitas komersial, jadi proteksi surja wajib menurut 443.4 c) tanpa CRL. Tanpa sistem proteksi petir eksternal, SPD Tipe 2 -F1 di PHB utama menjadi proteksi pokok; Tipe 1 atau kombinasi Tipe 1+2 diperlukan bila kelak dipasang proteksi petir eksternal (IEC 60364-5-53, klausul belum diverifikasi). Karena papan kendali berkategori I, rencana awalnya menambah SPD Tipe 3 -F2 di panel mesin; langkah 3 memeriksa kebutuhannya.

Langkah 2: pilih $U_\text{p}$ SPD di PHB utama. Alasan: SPD di awal instalasi harus menjaga peralatan hilir. Ringkasan IEC 60364-5-53 memakai 2,5 kV (kategori II) sebagai tingkat proteksi terpasang yang umum. Dipilih -F1 dengan $U_\text{p}$ = 1,5 kV (ilustrasi).

Langkah 3: hitung tingkat proteksi efektif -F1. Alasan: $U_\text{p}$ pada label hanya berlaku di terminal SPD. Kabel sambungan -F1 ke rel fasa dan rel PE terpasang total 0,8 m, $L = 0{,}8$ µH. Dengan arus 8 kA bentuk 8/20 µs (ilustrasi):

$$U_L = 0{,}8 \times 10^{-6} \times \frac{8\,000}{8 \times 10^{-6}} = 800\ \text{V}, \qquad U_\text{p/f} = 1{,}5 + 0{,}8 = 2{,}3\ \text{kV}$$

Nilai 2,3 kV masih di bawah 2,5 kV, tetapi sambungannya melampaui anjuran 50 cm. Setelah dipendekkan menjadi 0,4 m, $U_L = 400$ V dan $U_\text{p/f} = 1{,}9$ kV. Keduanya di atas 1,5 kV, sehingga -F1 saja tidak melindungi papan kendali kategori I, dan -F2 memang diperlukan. Pada kabel sepanjang belasan meter, pantulan gelombang juga dapat menaikkan tegangan di terminal peralatan di atas $U_\text{p/f}$, menurut satu sumber sekunder hingga sekitar dua kali lipat; ini alasan kedua memasang -F2 di dekat beban.

Langkah 4: hitung tingkat proteksi di papan kendali. Alasan: -F2 membatasi tegangan dekat beban. Diandaikan -F2 dengan $U_\text{p}$ = 1,0 kV dan kabel sambungan total 0,4 m mengalirkan sisa arus 3 kA bentuk 8/20 µs (ilustrasi):

$$U_L = 0{,}4 \times 10^{-6} \times \frac{3\,000}{8 \times 10^{-6}} = 150\ \text{V}, \qquad U_\text{p/f} = 1{,}0 + 0{,}15 = 1{,}15\ \text{kV}$$

Langkah 5: verifikasi terhadap $U_\text{w}$. Alasan: syaratnya $U_\text{p/f} < U_\text{w}$. Nilai 1,15 kV < 1,5 kV, sehingga memenuhi dengan cadangan 0,35 kV. Bila sambungan -F2 dibiarkan 0,8 m, $U_\text{p/f}$ naik menjadi 1,3 kV dan cadangannya tinggal 0,2 kV; pada arus yang lebih besar atau muka yang lebih curam cadangan itu habis. Panjang sambungan ikut menentukan efektivitas proteksi. Koordinasi -F1 dan -F2 yang terpisah 15 m kabel dicek pada data pabrikan.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus dan aturan bab ini; angka yang bukan dari sumber ditandai angka latihan. Pemasangan dan penggantian SPD dikerjakan personel kompeten setelah isolasi dan verifikasi bebas tegangan menurut Bab 2 · Keselamatan, di luar badai petir.

Contoh 1: CRL untuk hotel resor di pedesaan. Pengelola hotel resor bertanya apakah hitungan CRL dapat meniadakan SPD. Hotel tercantum di 443.4 c), sehingga proteksi surja wajib tanpa CRL. Sebagai pembanding, suplainya saluran udara tegangan rendah 0,5 km dan saluran udara tegangan menengah 0,5 km, di lokasi 150 hari guruh per tahun (angka latihan), dengan $F = 1$:

$$L_\text{p} = 2 \times 0{,}5 + 0{,}4 \times 0{,}5 = 1{,}2\ \text{km}, \qquad N_\text{g} = 0{,}1 \times 150 = 15, \qquad \text{CRL} = \frac{85}{1{,}2 \times 15} = 4{,}7$$

Panjang fisiknya 1 km, tepat di batas asesmen. CRL 4,7 jauh di bawah 1.000, sehingga jalur CRL pun menuntut proteksi.

Contoh 2: SPD di PHB dapur hotel. PHB dapur hotel memakai SPD Tipe 2 dengan $U_\text{p}$ = 1,5 kV. Papan kendali peralatan masak di dekatnya berkategori II, $U_\text{w}$ = 2,5 kV menurut dokumen pabrik (angka latihan). Kabel sambungan total 0,5 m, arus 8 kA bentuk 8/20 µs:

$$U_L = 0{,}5 \times 10^{-6} \times \frac{8\,000}{8 \times 10^{-6}} = 500\ \text{V}, \qquad U_\text{p/f} \approx 1{,}5 + 0{,}5 = 2{,}0\ \text{kV}$$

Dengan kecuraman maksimum sekitar 1,2 kali, $U_L$ menjadi 600 V dan $U_\text{p/f}$ 2,1 kV, masih di bawah 2,5 kV. Bila sambungan dibiarkan 1,0 m, hasilnya 2,5 sampai 2,7 kV dan cadangannya habis.

Contoh 3: memilih $U_\text{c}$ SPD PHB utama rumah sakit. Rumah sakit termasuk 443.4 a), dan gedungnya memiliki proteksi petir eksternal, sehingga PHB utama memakai SPD Tipe 1 atau Tipe 1+2 (klausul belum diverifikasi). Pada TN-C-S 230/400 V, $U_\text{c}$ fasa-netral dan fasa-PE sekurang-kurangnya $1{,}1 \times 230 = 253$ V, dan netral-PE sekurang-kurangnya 230 V; katalog 275 V (angka latihan) memenuhi dengan cadangan. Netral putus dapat memberi $\sqrt{3} \times 230 \approx 398$ V, jauh di atas 275 V, sehingga SPD harus gagal secara aman lewat pemutus internal atau pengaman cadangan menurut data pabrikan (5110.9.1.4).

Contoh 4: SPD gosong setelah netral putus di PHB lantai hotel. SPD fasa-netral 275 V pada L1 di PHB lantai sebuah hotel gosong, dan beberapa televisi kamar di L1 rusak. Netral PHB ditemukan putus; saat itu L1 memikul 1 kW, L2 4 kW, dan L3 hampir tanpa beban (angka latihan). Dengan model resistif bab ini:

$$R_1 = \frac{230^2}{1\,000} = 52{,}9\ \Omega, \qquad R_2 = \frac{230^2}{4\,000} = 13{,}2\ \Omega, \qquad U_1 \approx \sqrt{3} \times 230 \times \frac{52{,}9}{52{,}9 + 13{,}2} \approx 319\ \text{V}$$

Tegangan itu di atas 275 V, sehingga SPD menghantar sampai gagal. Menurut kondisi berhenti butir 4, netral diperbaiki dan PHB diperiksa sebelum SPD diganti; angka model ini hanya perkiraan arah.

Kondisi berhenti

1. Pekerjaan pemasangan atau pemeriksaan sistem proteksi petir eksternal (terminasi udara, konduktor turun, elektrode di area terbuka) dihentikan dan dijadwalkan ulang bila ada awan badai aktif, kilat terlihat, atau guruh terdengar, atau bila prakiraan cuaca hari itu menunjukkan potensi badai petir di lokasi.
2. Pekerjaan di atap, menara, atau struktur tinggi di luar ruangan tidak dimulai tanpa prosedur tertulis untuk penghentian dan evakuasi saat cuaca memburuk.
3. Pekerjaan pada sambungan masuk, PHB utama, dan SPD ditunda selama badai petir, terutama bila suplai lewat saluran udara, karena surja dapat masuk walaupun sakelar utama terbuka. Di luar badai, pekerjaan itu dilakukan setelah isolasi dan verifikasi bebas tegangan menurut Bab 2 · Keselamatan.
4. SPD yang panas, berbau, gosong, atau indikator akhir umurnya menunjukkan gagal dianggap tanda bahaya kebakaran dan kehilangan proteksi. PHB dibebaskan dan diperiksa sebelum SPD diganti; penyebabnya, misalnya netral putus atau tegangan suplai tinggi, dicari lebih dulu.
5. Uji resistansi isolasi tidak dilakukan dengan SPD masih tersambung, kecuali pedoman pabrikan mengizinkan, seperti ditetapkan pada bab uji resistansi isolasi.

Salah tafsir yang sering terjadi

"SPD adalah penangkal petir." Satu buku ajar korpus menyebut SPD satu fasa sebagai "penangkal petir". SPD di panel tidak menangkap atau menarik petir; SPD membatasi tegangan dan mengalihkan energi surja yang sudah masuk ke instalasi. Proteksi petir eksternal dan SPD adalah dua lapis proteksi dengan fungsi berbeda, dan keduanya diperlukan bila bangunan membutuhkan proteksi petir eksternal.

"Arester memutus rangkaian saat tegangan lonjak." Buku ajar yang sama menulis bahwa arester memutus rangkaian. SPD tegangan rendah tidak memutus rangkaian; SPD menyediakan jalur impedansi rendah antara konduktor aktif dan PE atau netral selama arus surja berlangsung, lalu kembali ke keadaan impedansi tinggi. Yang memutus adalah pemutus internal atau pengaman cadangannya bila SPD gagal. Istilah "arester" lazim untuk gawai jaringan tegangan menengah dan tinggi.

"$U_\text{p}$ SPD sama dengan tegangan di peralatan." Nilai $U_\text{p}$ berlaku di terminal SPD. Tegangan di peralatan lebih tinggi karena kabel sambungan menambah sekitar 1 kV per meter pada arus 8 kA, seperti ditunjukkan contoh kerja.

"Satu SPD Tipe 2 cukup untuk seluruh instalasi." SPD Tipe 2 di PHB utama melindungi jalur distribusi, tetapi tingkat proteksi efektifnya dapat di atas $U_\text{w}$ peralatan kategori I di ujung sirkit. Peralatan peka memerlukan SPD Tipe 3 di dekatnya.

"ESE memberikan proteksi lebih luas." IEC 62305-3 tidak mengakui radius proteksi ESE. Perencanaan berdasarkan klaim itu menghasilkan instalasi yang tidak memenuhi standar.

Hubungan dengan bab lain

Tegangan sentuh akibat gangguan dan pemutusan otomatis ada pada bab proteksi kejut listrik. Rating komponen fasa-netral terhadap batas 253 V dan dasar koordinasi isolasi ada pada bab arus bolak-balik, pergeseran titik netral pada bab beban tak seimbang, tegangan induksi saat koil diputus pada bab magnet dan induksi, dan kategori ukur pada bab keselamatan alat ukur. Kualitas suplai jangka panjang ada pada bab sistem suplai, sistem TN-C-S dan TT pada bab sistem pembumian, terminal pembumian utama dan ikatan ekuipotensial pada bab pembumian dan ikatan ekuipotensial, RCD tipe S pada bab RCD, dan isi PHB pada bab PHB dalam instalasi. Mitigasi EMC VFD dibahas pada bab VFD: instalasi, EMC, harmonisa, dan arus bocor, dan pemilihan SPD dalam rancangan lengkap dibahas pada bab studi kasus instalasi tiga fasa laundry.

Sebagian celah yang dinyatakan di batas pembahasan diisi bab lain. Penangkap surja pada trunk telepon masuk dibahas di Bab 96 tentang sentral telepon hotel, dengan spesifikasi anjuran satu manual sentral, aturan pemasangan antargedung, dan batang bumi yang diikat ke sistem pembumian gedung sesuai interkoneksi elektrode menurut 444.5.1. Sisi DC PLTS atap, yang lariknya tetap bertegangan selama ada cahaya dan menurut manual pabrik tidak dikerjakan saat petir, dibahas di Bab 90 tentang keselamatan sisi DC PLTS atap.

Latihan dan pembahasan

1. [Hitung] SPD Tipe 2 di PHB utama memiliki $U_\text{p}$ = 1,8 kV. Kabel sambungannya total 1,2 m (1 µH/m). Arus surja 8 kA bentuk 8/20 µs. (a) Hitung $U_\text{p/f}$. (b) Apakah motor pompa kategori III ($U_\text{w}$ = 4 kV) terlindung? (c) Apakah memenuhi tingkat proteksi terpasang 2,5 kV, dan berapa panjang sambungan maksimumnya?
2. [Hitung] SPD Tipe 3 dengan $U_\text{p}$ = 1,0 kV melindungi modul elektronik $U_\text{w}$ = 1,5 kV. Arus yang dialirkannya diperkirakan 3 kA bentuk 8/20 µs; induktansi kabel 1 µH/m. Hitung panjang sambungan maksimum, lalu ulangi bila arusnya 8 kA. Apa arti perbedaannya?
3. [Tafsir] Sebuah SPD dipasang fasa-netral pada instalasi 230 V. Tegangan dapat naik sampai $1{,}1 \times 230 = 253$ V pada batas toleransi. Apakah $U_\text{c}$ = 260 V memadai? Apakah SPD itu tahan terhadap netral putus?
4. [Tafsir] Di sebuah bengkel tiga fasa, beban di L1 adalah mesin gerinda 4 kW dan di L2 mesin las 6 kW; L3 kosong. Netral di PHB utama putus. Perkirakan tegangan di mesin gerinda dengan model resistif dan sebutkan klausul PUIL 2020 yang mengaturnya.
5. [Tafsir] Dokumen lama merencanakan proteksi petir gudang industri 60 m × 40 m dengan satu terminal ESE di atap berklaim radius 150 m. Jelaskan mengapa rencana itu tidak dapat diterima dan langkah yang perlu dilakukan.
6. [Tafsir] Instalasi memiliki SPD Tipe 1+2 di PHB utama dan SPD Tipe 3 di panel VFD berjarak 8 m kabel. Seorang teknisi menyarankan induktor di antara keduanya "karena kurang dari 10 m". Nilailah saran itu.

Kunci jawaban beralasan

1. (a) $\mathrm{d}i/\mathrm{d}t = 8\,000/(8 \times 10^{-6}) = 1$ kA/µs; $U_L = 1{,}2 \times 10^{-6} \times 10^{9} = 1{,}2$ kV; $U_\text{p/f} = 1{,}8 + 1{,}2 = 3{,}0$ kV. (b) Ya, 3,0 kV < 4 kV. (c) Tidak: 3,0 kV > 2,5 kV, dan 1,2 m melampaui anjuran 50 cm. Anggaran kabel $2{,}5 - 1{,}8 = 0{,}7$ kV, yaitu 0,7 m pada 1 kV/m, sehingga anjuran 0,5 m yang menentukan; dengan 0,5 m, $U_\text{p/f} = 2{,}3$ kV. Motor tidak terancam, tetapi peralatan kategori II di hilir terancam.
2. Anggaran $U_L = 1{,}5 - 1{,}0 = 0{,}5$ kV. Pada 3 kA: $\mathrm{d}i/\mathrm{d}t = 3\,000/(8 \times 10^{-6}) = 375$ A/µs, $L = 500/(375 \times 10^{6}) = 1{,}33$ µH, panjang maksimum 1,33 m. Pada 8 kA: $\mathrm{d}i/\mathrm{d}t = 1$ kA/µs, $L = 0{,}5$ µH, panjang 0,5 m; dengan kecuraman maksimum (sekitar 1,2 kali) tinggal sekitar 0,42 m, sehingga anjuran 50 cm tepat menghabiskan anggaran tanpa cadangan. Arus sebenarnya tidak diketahui pasti, jadi sambungan dibuat sesingkat mungkin.
3. Memadai untuk kondisi normal: 260 V > 253 V, sesuai syarat minimum $1{,}1\,U_0$. Pilihan 275 V memberi cadangan lebih, dengan alasan yang sama seperti rating varistor pada bab arus bolak-balik. SPD itu tidak tahan netral putus: tegangan dapat mencapai $\sqrt{3} \times 230 \approx 398$ V (442.3), jauh di atas 260 V maupun 275 V. SPD akan menghantar dan harus gagal secara aman lewat pemutus internal atau pengaman cadangannya; setelah kejadian, SPD diperiksa.
4. Model resistif: $R_\text{g} = 230^2/4\,000 = 13{,}2$ Ω, $R_\text{l} = 230^2/6\,000 = 8{,}8$ Ω. Keduanya seri melintasi $U_{12} \approx 398$ V, sehingga gerinda menerima $398 \times 13{,}2/(13{,}2 + 8{,}8) \approx 239$ V, sedikit di atas 230 V, dan mesin las sekitar 159 V. Kenaikan menjadi besar bila perbandingan bebannya ekstrem, seperti kasus beban kecil pada bab beban tak seimbang. Motor dan mesin las tidak berperilaku resistif, jadi angka ini hanya perkiraan arah. Klausulnya PUIL 2020 442.3: tegangan fasa-netral dapat mencapai $\sqrt{3}\,U_0$.
5. IEC 62305-3 tidak mengakui radius ESE, sehingga klaim 150 m tidak berdasar. Langkah: (1) kajian risiko menurut IEC 62305-2 untuk menentukan LPL; (2) rancang ulang terminasi udara dengan sudut proteksi, bola bergulir, atau jala; (3) pastikan seluruh atap 60 m × 40 m dan tepinya tercakup, dengan terminal ESE dihitung sebagai batang biasa; (4) periksa konduktor turun, jarak pisah, dan ikatan elektrode (444.4.2 h, 444.5.1); (5) minta pemeriksaan dan pengujian menurut PER.02/MEN/1989 jo. 31/2015.
6. Saran itu belum tentu benar. Tidak ada angka 10 m yang berlaku umum; 8 m kabel sudah memberi sekitar 8 µH di antara kedua SPD. SPD Tipe 1+2 umumnya dirancang dengan $U_\text{p}$ rendah dan terkoordinasi dengan SPD hilir menurut data pabrikan. Yang benar: periksa data koordinasi kedua SPD menurut IEC 61643-12; induktor pemisah hanya dipasang bila pabrikan mensyaratkannya.

Referensi