Keselamatan alat ukur: kategori ukur, rating, dan verifikasi bebas tegangan

Pengering di sebuah laundry tiga fasa berhenti di tengah siklus, dan teknisi dipanggil ke PHB utama. Kabel merah multimeternya masih di terminal 10 A sisa mengukur arus kemarin. Di sisi masuk sakelar utama ia menempelkan kedua probe ke dua fasa, lalu terdengar letupan dan kilatan. Minggu berikutnya, test pen tidak menyala di terminal motor karena ia berdiri di karpet karet bersepatu keselamatan, dan ia menyimpulkan terminal itu mati. Pemilik usaha bertanya: alat apa yang boleh dibawa ke PHB utama, dan bagaimana membuktikan sirkit bebas tegangan?

Batas pembahasan

Cakupannya alat ukur genggam dan detektor tegangan untuk instalasi 230/400 V, 50 Hz: multimeter, kabel uji dan probe, detektor dua kutub, detektor tanpa kontak, test pen, dan lampu uji. Tegangan menengah, osiloskop, energi insiden busur api dan APD (Bab 77), serta prosedur pemutusan, penguncian, pembumian kerja, dan izin kerja (Bab 76) tidak dibahas. Verifikasi bebas tegangan dijelaskan sebagai prinsip, bukan instruksi kerja. Setiap pengukuran pada instalasi bertegangan, termasuk verifikasi itu sendiri, hanya dilakukan personel kompeten yang ditugaskan, dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Energi yang tersedia di titik ukur

Alat ukur menghadapi dua ancaman. Pertama, tegangan lebih transien (transient overvoltage), yaitu lonjakan beberapa kilovolt selama mikrodetik akibat petir atau penyakelaran beban induktif, yang dapat menembus isolasi alat atau kabel uji. Kedua, energi yang mengikuti: begitu isolasi tembus, udara terionisasi menjadi jalur konduktif, dan arus gangguan sistem mengalir melalui busur di genggaman teknisi. Besar arus itu ditentukan impedansi sumber di titik ukur, bukan oleh alat.

Arus prospektif (prospective current) adalah arus yang dialirkan sumber bila titik itu terhubung singkat. Impedansi sumber paling kecil di dekat trafo dan membesar di sepanjang kabel; perkiraan kasar arus itu memakai hukum Ohm dari Bab 1:

$$I_\text{p} \approx \frac{U_0}{Z_\text{LN}}, \qquad Z_\text{LN} = Z_\text{hulu} + \rho\,\frac{2L}{A}$$

dengan $I_\text{p}$ arus prospektif fasa-netral (A), $U_0$ tegangan fasa-netral 230 V, $Z_\text{LN}$ impedansi lingkar fasa-netral di titik itu dan $Z_\text{hulu}$ di titik hulu (Ω), $\rho \approx 0{,}0178\ \Omega\,\text{mm}^2/\text{m}$ untuk tembaga pada 20 °C, $L$ panjang kabel (m), dan $A$ luas penampang (mm²); faktor 2 menghitung fasa dan netral. Asumsinya: gangguan tanpa resistansi busur, reaktansi diabaikan, fasa dan netral berpenampang sama. Impedansi lingkar sebenarnya diukur dengan cara di Bab 18 (uji impedansi lingkar). Busur berarus kiloampere menghasilkan panas, tekanan, dan logam cair jauh lebih besar daripada busur ratusan ampere, sehingga "berapa volt" belum cukup untuk memilih alat; yang juga ditanyakan adalah di mana probe menempel.

Kategori ukur CAT II, III, dan IV

Kategori ukur (measurement category) adalah penggolongan titik tempat probe menempel menurut transien dan energi gangguan di sana. Penggolongan ini didefinisikan IEC 61010-2-030, kini edisi 2023, dalam seri keselamatan alat ukur IEC 61010.

Rumusan tiap kategori:

• CAT IV: sumber instalasi bangunan, di hulu sekering atau pemutus utama, misalnya kabel masuk, APP (alat pembatas dan pengukur), dan terminal sisi masuk gawai proteksi atau sakelar utama.
• CAT III: instalasi tetap dari PHB utama ke hilir, misalnya rel dan terminal keluar PHB, pemutus, kotak sambung, dan terminal motor terpasang tetap.
• CAT II: titik pemanfaatan, yaitu kotak kontak dan titik sejenis, termasuk peranti berkabel yang dicolokkan ke sana.
• Sirkit yang tidak tersambung langsung ke jaringan, misalnya keluaran catu daya kendali 24 V terisolasi, tidak diberi kategori II sampai IV; edisi lama menyebutnya CAT I.

Urutan ini sejajar dengan kategori tegangan lebih IV sampai I pada PUIL 2020 443.6.2, dan Tabel 443.2 memberi tegangan ketahanan impuls pengenal yang disyaratkan antara konduktor aktif dan PE:

Kategori tegangan lebih menggolongkan peralatan terpasang, sedangkan kategori ukur menggolongkan titik yang diukur. Kotak kontak termasuk peralatan berkategori tegangan lebih III, tetapi pengukuran di lubangnya termasuk CAT II, karena sirkit akhir di hulunya meredam transien dan membatasi arus gangguan.

Membaca rating: kategori, tegangan, dan kombinasi

Rating selalu berupa pasangan kategori dan tegangan, misalnya "CAT III 600 V". Angka tegangannya adalah tegangan fasa terhadap bumi tertinggi dari sistem tempat alat boleh dipakai pada kategori itu, sejajar dengan kolom fasa-netral turunan Tabel 443.2. Menurut tabel itu, CAT IV 300 V dan CAT III 600 V sama-sama setara 6 kV, tetapi kesetaraan impuls tidak membuat rating dapat dipertukarkan, karena kategori lebih tinggi juga mengandaikan sumber lebih kuat.

Alat, kabel uji, probe, jepit buaya, dan adaptor dinilai sebagai satu rangkaian, dan rating rangkaian adalah rating terendah bagiannya. Multimeter CAT IV 600 V dengan kabel uji CAT II 1000 V hanya layak untuk CAT II, dan jepit tanpa tanda tidak memiliki rating. Tanda kategori harus dapat dipercaya: cari nomor standar dan tanda lembaga uji independen pada alat, bukan hanya tulisan "CAT" di kemasan.

Tegangan rating dipilih dengan aturan:

$$U_\text{rating} \ge \max\left(U_\text{fasa-bumi,maks};\ U_\text{antarprobe,maks}\right)$$

Rating 300 V pada kategori yang sesuai sudah mencakup sistem 230/400 V bernetral terbumi, karena tegangan fasa-buminya 230 V. Namun di antara dua probe pada dua fasa muncul tegangan fasa-fasa, yang dengan toleransi +10% menurut IEC 60038 dapat mencapai $1{,}1 \times 400 = 440$ V, dan tegangan antarterminal ukur harus tetap dalam batas pabrikan; IEC 61010-2-030:2023 kini mensyaratkan rating tegangan minimum untuk terminal ukur. Karena itu, sebagai aturan dengan margin, alat dan detektor untuk panel 400 V dipilih dari kelas 600 V pada kategori titik ukurnya, dengan batas ukur yang mencakup 440 V.

Sekering alat ukur dan bahaya terminal arus

Terminal arus multimeter berisi resistor shunt seperseratus ohm atau kurang. Bila kabel uji tertinggal di terminal arus lalu probe ditempelkan pada dua titik bertegangan, multimeter menjadi hubung pendek yang arusnya hanya dibatasi impedansi lingkar sistem ditambah resistansi kabel uji, sekering, dan shunt (Contoh 2 dan 5).

Penghalang satu-satunya adalah sekering di dalam alat, yang harus memutus arus itu pada tegangan sistem tanpa meledak. Tiga angkanya menentukan: arus pengenal, tegangan pengenal, dan kapasitas pemutusan (breaking capacity), yaitu arus terbesar yang dapat diputus sekering pada tegangan pengenalnya. Alat ukur yang layak memakai sekering keramik berkapasitas pemutusan tinggi dengan tegangan pengenal setara rating alat, dan mencantumkan spesifikasinya. Sekering kaca murah yang ukurannya pas biasanya bertegangan pengenal 250 V dengan kapasitas pemutusan jauh lebih rendah, dan pada gangguan kiloampere dapat membentuk busur yang tidak padam. Sekering pengganti harus identik dengan spesifikasi pabrikan, dan kawat penjembatan tidak pernah dapat diterima. Terminal arus tinggi bertanda tanpa sekering tidak dipakai pada instalasi daya.

Bahaya serupa muncul bila selektor berada di fungsi resistansi, dioda, atau kontinuitas saat probe menyentuh konduktor bertegangan; fungsi itu hanya untuk rangkaian yang terbukti bebas tegangan dan bebas muatan. Pencegahnya: periksa selektor dan terminal kabel uji sebelum probe menyentuh apa pun. Arus pada instalasi sebaiknya diukur dengan tang ampere (Bab 16).

Kabel uji, probe, dan aksesori

Ketentuan IEC 61010-031 yang berlaku sejak 2011 membatasi ujung logam terbuka probe untuk CAT III dan CAT IV paling panjang 4 mm, sebelumnya sampai 19 mm; kesamaannya pada edisi 2022 belum dipastikan. Banyak probe memenuhinya dengan tutup isolasi; ujung panjang tanpa tutup dapat menjembatani dua terminal berdekatan dan memicu busur antarfasa.

HSE GS38, pedoman regulator keselamatan Inggris, menganjurkan ujung terbuka paling panjang 4 mm, sebaiknya 2 mm atau kurang, serta pelindung jari pada probe dan jepit. Kabel uji yang layak berisolasi utuh tanpa retak, sayatan, atau bagian meleleh; bila lapisan dalam yang berwarna kontras terlihat, isolasi luar sudah tembus. Konektornya berselubung penuh, pelindung jarinya utuh, dan tanda kategori tercetak pada kabel, probe, dan tutupnya. Menyatukan kedua ujung pada fungsi resistansi memeriksa kontinuitas: angka tinggi atau berubah saat kabel ditekuk menandakan konduktor putus, yang dapat membuat alat membaca nol volt pada konduktor bertegangan. Kabel uji bersekering, yang juga dianjurkan pedoman itu, membatasi akibat salah terminal tetapi tidak menggantikan rating kategori.

Verifikasi bebas tegangan: ketentuan PUIL dan praktik uji-ukur-uji

Verifikasi bebas tegangan (verification of absence of voltage) adalah pengukuran yang membuktikan konduktor di titik kerja, yang dianggap bertegangan sampai terbukti sebaliknya, tidak bertegangan sebelum disentuh. PUIL 2020 Bagian 9, 9.9.2, mengatur bekerja pada keadaan tidak bervoltase (istilah PUIL untuk tanpa tegangan). Peralatan dibebaskan dari tegangan menurut 9.10.5.1 dengan rambu di tempat pemutusan (9.9.2.1). Sebelum pekerjaan dimulai, seorang yang berwenang harus melakukan "pemeriksaan voltase dengan teleskop atau lampu uji" (9.9.2.2). Peralatan lalu dibumikan (9.9.2.3), pemimpin pembebasan tegangan memegang surat penugasan (9.9.2.4), dan pekerjaan baru dimulai setelah ketiganya dipenuhi (9.9.2.5); 9.10.6 a) juga mengawali pengamanan dengan pemeriksaan itu. PUIL tidak mendefinisikan kedua alat itu; bab ini membaca teleskop sebagai tongkat detektor berisolasi untuk tegangan menengah dan lampu uji sebagai lampu dua kawat untuk tegangan rendah.

Praktik tambahan yang lebih aman memakai alat yang dirancang untuk membuktikan ketiadaan tegangan. Detektor dua kutub (two-pole voltage detector) adalah detektor yang menunjukkan beda tegangan di antara dua ujung yang menempel pada dua konduktor; standarnya IEC 61243-3:2014. EN 50110-1:2023 menempatkan pembuktian bebas tegangan sebagai aturan ketiga dari lima aturan emas, sesudah memutus dan mengamankan dari penyambungan kembali, sebelum membumikan dan menghubungsingkatkan. Urutan uji-ukur-uji (live-dead-live):

1. Uji alat pada sumber yang diketahui bertegangan, dengan penguji sumber (proving unit) atau sirkit setara yang diketahui bertegangan.
2. Ukur di titik kerja pada semua kombinasi konduktor dengan alat dan setelan yang sama.
3. Uji alat lagi pada sumber yang sama, untuk membuktikan alat tidak rusak selama langkah kedua.

GS38 juga meminta alat pembukti mati dibuktikan sebelum dan sesudah dipakai. Jumlah kombinasi mengikuti jumlah konduktor $n$ di titik itu, termasuk netral dan PE:

$$N_\text{uji} = \frac{n\,(n-1)}{2}$$

Tiga fasa dengan netral dan PE ($n = 5$) memerlukan 10 pasangan: tiga fasa-fasa, tiga fasa-netral, tiga fasa-PE, dan netral-PE. Pasangan fasa-PE tidak boleh dilewati, karena tegangan dapat muncul terhadap PE walaupun tidak antarfasa. Pasangan netral-PE mengungkap netral yang bertegangan akibat beban lain atau pengawatan salah.

Prasyarat verifikasi: pemisah sudah dibuka dan dikunci menurut 9.9.2.6, titik kerja sudah dipastikan benar dari gambar dan penandaan, sumber lain yang dapat mengumpan sudah dibuka menurut 9.10.6 e), pemeriksa kompeten dan ditugaskan, detektor berkategori ukur sesuai, dan APD dipakai sesuai penilaian risiko busur api. Indikasi tegangan pada pasangan mana pun berarti titik itu bertegangan, walaupun angkanya kecil. Sesudah terbukti bebas tegangan, peralatan dibumikan menurut 9.9.2.3, dan EN 50110-1 menambahkan hubung singkat; urutan dan pencatatannya dibahas di Bab 76 (kerja aman).

Detektor dua kutub, detektor tanpa kontak, test pen, lampu uji, dan multimeter

Tiap alat dapat diam walaupun konduktor bertegangan:

IEC 61243-3:2014 mencakup detektor genggam sampai 1.000 V bolak-balik dan 1.500 V searah, dan memperbaiki perilakunya terhadap tegangan interferensi, yaitu tegangan induksi atau kapasitif pada konduktor yang sudah diputus; detektor ini tidak memakai tubuh pemakai sebagai jalur arus. Test pen justru bergantung pada jalur itu (resistor, jari, dan tubuh ke bumi); sepatu keselamatan dan karpet karet memutusnya, sehingga nasihat memakai alas kaki berisolasi dan nasihat memastikan tegangan dengan test pen saling melemahkan bila diikuti bersamaan. Alat ini juga bukan perkakas berisolasi, jadi ujungnya tidak dipakai sebagai obeng di PHB. Detektor tanpa kontak berguna untuk peringatan cepat, tetapi GS38 menyatakan detektor satu kutub dan tanpa kontak hanya untuk mengenali peralatan bertegangan, bukan membuktikan peralatan mati.

Kelemahan lampu uji dua kawat: kacanya dapat pecah, umumnya tanpa rating kategori, dan arus filamennya pada pasangan fasa-PE dapat membuat RCD (gawai proteksi arus sisa) memutus; detektor dua kutub adalah bentuk modernnya dengan pembatas energi dan rating teruji. Multimeter dapat dipakai bila berkategori sesuai dan disetel benar, tetapi GS38 mencatat multimeter salah setel sering menjadi penyebab kecelakaan saat dipakai mendeteksi tegangan.

Kapasitor dan energi tersimpan sebelum mengukur resistansi

Sirkit yang sudah diputus belum tentu bebas muatan. Kapasitor perbaikan faktor daya, kapasitor rel DC pada VFD dan catu daya elektronik, kabel panjang yang baru diuji isolasinya, dan kapasitor motor satu fasa dapat tetap bertegangan. Energinya $W = \tfrac{1}{2}CU^2$: kapasitor rel DC 1.000 µF pada VFD 400 V, misalnya, bermuatan sekitar 565 V tanpa beban dan menyimpan sekitar 160 J, cukup untuk sengatan berbahaya dan untuk merusak fungsi resistansi multimeter; peluahannya lewat resistor peluah dibahas di Bab 7 (perbaikan faktor daya), dan energi medan induktansi yang dilepas saat pemutusan di Bab 11 (magnet dan induksi).

Sebelum resistansi atau kontinuitas diukur pada sirkit berkapasitor, tiga syarat dipenuhi: sumber diputus dan terverifikasi bebas tegangan bolak-balik, waktu tunggu pada label peralatan terlewati, dan tegangan searah di terminal penyimpan muatan terverifikasi mendekati nol dengan detektor atau multimeter pada fungsi tegangan searah.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Semua pengukuran dan verifikasi dilakukan personel kompeten yang ditugaskan, dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD sesuai penilaian risiko busur api.

Contoh 1: memilih alat ukur dan probe untuk panel utama laundry. Laundry 230/400 V bersistem TN-C-S memiliki $Z_\text{A} = 0{,}05$ Ω di sisi masuk sakelar utama PHB utama. PHB cabang ruang cuci disuplai kabel tembaga $4 \times 16$ mm² 25 m, dan kotak kontak setrika berada di ujung sirkit 2,5 mm² 20 m dari PHB cabang. Tegangan diukur di ketiga titik, lalu terminal masuk kontaktor pengering diverifikasi bebas tegangan sebelum kontaktor diganti.

$$Z_\text{B} = 0{,}05 + 0{,}0178 \times \frac{2 \times 25}{16} = 0{,}1056\ \Omega, \qquad Z_\text{C} = 0{,}1056 + 0{,}0178 \times \frac{2 \times 20}{2{,}5} = 0{,}3904\ \Omega$$

Titik tertinggi yang disentuh adalah A, jadi seluruh rangkaian alat, termasuk kabel uji, probe, dan jepit buaya yang memenuhi bagian kabel uji, minimal CAT IV; dengan margin untuk 440 V antar-probe dipilih CAT IV 600 V dengan batas ukur tegangan bolak-balik minimal 600 V. Terminal kontaktor pengering (CAT III) diverifikasi dengan detektor dua kutub IEC 61243-3 minimal CAT III 600 V yang rentangnya mencakup 440 V, dengan penguji sumber: lima konduktor memberi 10 pasangan. Arus pengering diukur dengan tang ampere berkategori sesuai, bukan terminal arus multimeter.

Contoh 2: kabel uji di terminal arus pada PHB utama. Kabel uji teknisi pada pembuka tertinggal di terminal arus (jalur kabel uji, sekering, dan shunt 0,05 Ω), dan impedansi lingkar fasa-fasa di titik A diandaikan sama dengan fasa-netral. Probe pada dua fasa menghasilkan

$$I = \frac{400\ \text{V}}{0{,}05\ \Omega + 0{,}05\ \Omega} = 4\,000\ \text{A}, \qquad I_\text{LN} = \frac{230}{0{,}10} = 2\,300\ \text{A}, \qquad W \approx 4\,000^2 \times 0{,}05 \times 0{,}005 = 4\,000\ \text{J}$$

dengan $W$ energi di jalur alat bila arus fasa-fasa tetap sampai sekering memutus dalam 5 ms; karena itu sekering alat wajib jenis berkapasitas pemutusan tinggi dengan tegangan pengenal setara rating alat.

Contoh 3: menilai satu set alat yang tidak layak. Tas alat teknisi untuk PHB utama Contoh 1 dinilai dengan bagian konsep:

Contoh 4: verifikasi bebas tegangan di PHB dapur hotel. Sebelum rel PHB dapur hotel dibersihkan, pemisahnya dibuka dan dikunci; L1, L2, L3, N, dan PE di titik kerja memberi

$$N_\text{uji} = \frac{5 \times 4}{2} = 10$$

Detektor dua kutub lolos uji pada penguji sumber, sembilan pasangan tidak menunjukkan tegangan, netral-PE menunjukkan 35 V, dan uji ulang lolos. Hasil itu sah, jadi titik kerja bertegangan. Pekerjaan tidak dimulai (Kondisi berhenti 6) sampai sumbernya ditemukan.

Contoh 5: kabel uji tertinggal di terminal arus di kamar hotel. Kotak kontak kamar hotel seperti titik C Contoh 1 ($Z_\text{LN}$ = 0,390 Ω) diukur dengan kabel merah masih di terminal arus (jalur alat 0,05 Ω):

$$I = \frac{230}{0{,}390 + 0{,}05} \approx 522\ \text{A}, \qquad W \approx 522^2 \times 0{,}05 \times 0{,}005 \approx 68\ \text{J}$$

Dengan sekering memutus dalam 5 ms, energinya sekitar 60 kali lebih kecil daripada Contoh 2, tetapi arusnya tetap ratusan ampere di genggaman; Kondisi berhenti 3 dan 4 berlaku juga di kamar tamu.

Contoh 6: kapasitor bank di PHB rumah sakit. Satu tahap kapasitor bank 400 V di PHB rumah sakit diputus agar resistor peluahnya diperiksa dengan fungsi resistansi multimeter. Elemen 83 µF dalam keadaan terburuk tertinggal bermuatan pada tegangan puncak:

$$U = \sqrt{2} \times 400 \approx 565\ \text{V}, \qquad W = \tfrac{1}{2} C U^2 = \tfrac{1}{2} \times 83 \times 10^{-6} \times 565^2 \approx 13\ \text{J}$$

Tiga elemen menyimpan sekitar 40 J. Resistansi baru diukur setelah tiga syarat di bagian kapasitor dipenuhi untuk setiap elemen, dengan alat yang lolos uji pada sumber diketahui (Kondisi berhenti 9).

Kondisi berhenti

Hentikan pengukuran atau verifikasi, dan jangan menyentuhkan probe ke konduktor, bila salah satu keadaan berikut ditemukan; keadaan itu ditangani personel kompeten yang ditugaskan, di bawah pemimpin pembebasan tegangan pemegang surat penugasan (9.9.2.4).

1. Bagian mana pun dari rangkaian alat tidak bertanda kategori ukur, atau tanda terendahnya di bawah kategori dan tegangan titik ukur (misalnya CAT II di PHB, CAT III di sisi masuk sakelar utama).
2. Kabel uji atau probe retak, meleleh, memperlihatkan lapisan dalam, pelindung jarinya patah, atau tutup probe untuk CAT III/IV hilang.
3. Sekering alat putus, tidak cocok dengan label pabrikan dalam arus, tegangan, atau kapasitas pemutusan, dijembatani, atau terminal arus tinggi tidak bersekering.
4. Kabel uji berada di terminal arus atau selektor di fungsi resistansi, kontinuitas, atau dioda ketika yang diukur tegangan; rumah alat retak, basah, atau bekas terbakar; indikator baterai lemah menyala.
5. Detektor gagal pada uji sumber yang diketahui, sebelum atau sesudah pengukuran; hasil "tanpa tegangan" di antaranya tidak berlaku.
6. Ada indikasi tegangan pada pasangan mana pun, termasuk netral-PE, atau penunjukan berubah-ubah; pekerjaan tidak dimulai sampai sumbernya, termasuk umpan dari sumber lain, ditemukan.
7. Satu-satunya bukti bebas tegangan berasal dari test pen, detektor tanpa kontak, lampu pilot pada pintu panel, atau posisi tuas pemutus.
8. Pemutusan dan penguncian menurut 9.9.2.6 belum dilakukan, pemeriksa tidak kompeten atau tidak ditugaskan, atau APD sesuai penilaian risiko busur api tidak tersedia.
9. Sirkit berkapasitor akan diukur resistansinya sebelum waktu tunggu label terlewati dan tegangan searahnya terverifikasi mendekati nol.
10. Panel basah, lantai tergenang, ruang sangat panas, ada bau gas atau risiko kebakaran dan ledakan di sekitar panel (PUIL 2020 9.9.3.2), atau panel menunjukkan tanda panas, bau hangus, atau bunyi tidak wajar.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab ini memakai Bab 1 (hukum Ohm), Bab 8 (tegangan fasa-netral dan fasa-fasa), Bab 7 dan Bab 11 (energi tersimpan), serta Bab 1 · Keselamatan dan Bab 2 · Keselamatan (bahaya dan verifikasi keadaan aman). Prinsipnya dipakai Bab 15 sampai Bab 18 (multimeter sampai uji RCD) dan dilanjutkan Bab 76 (kerja aman) serta Bab 77 (busur api).

Latihan dan pembahasan

Referensi