Download perancangan earth leakage circuit breaker dengan sensivitas 20 ma

ISSN: 1693-6930
„ 125
PERANCANGAN EARTH LEAKAGE CIRCUIT BREAKER
DENGAN SENSIVITAS 20 MA
Pandung Sarungallo, Adelhard Beni Rehiara
Jurusan Teknik Universitas Negeri Papua
Jl. Gunung Salju Amban, Manokwari, Papua
e-mail: [email protected], [email protected]
Abstract
Electrics current can flow out to the ground by using a human body. This electric current
will be dangerous to the human when it exceed 20mA. A very sensitive earth leakage circuit
breaker (ELCB) is needed to anticipate the leaky current but most of ELCB can only be found in
the market with sensitivitas 30mA or bigger. This research is succees to design an ELCB with
sensitivity 20mA. Characteristic of an ELCB is very influenced by the current transformer
characteristic and the relay which are used.
Keyword: current transformer, earth leakage circuit breaker, leaky current
Abstrak
Arus listrik dapat mengalir melalui tubuh manusia ke tanah tanpa melalui kawat netral
dan arus bocor ini dapat membahayakan keselamatan manusia bila melebihi 20mA. Saklar arus
bocor yang sangat sensitif diperlukan untuk mengantisipasi arus bocor tersebut namun saklar
arus bocor hanya dapat diperoleh di pasaran dengan sensitivitas 30mA atau lebih. Penelitian
telah berhasil merancang saklar arus bocor yang dengan sensitivitas sampai 20mA.
Karakteristik saklar arus bocor sangat ditentukan oleh karakteristik transformator arus dan relai
yang digunakan.
Kata kunci: arus bocor, saklar arus bocor, transformator arus
1. PENDAHULUAN
Transformasi dalam peradaban teknologi dimulai dengan ditemukannya baterai oleh
Ale xander Volta pada tahun 1800 M [1], sejak saat itu perkembangan kelistrikan terus
mengalami kemajuan. Sampai saat ini, listrik merupakan bentuk energi yang sangat
populer. Hal ini dikarenakan listrik memiliki beberapa kelebihan, antara lain merupakan
energi yang dapat dengan mudah disalurkan pada pengguna,dalam penggunaannya listrik
tidak menimbulkan pencemaran lingkungan serta mudah dikonversikan menjadi besaran energi
lain.
Disamping kelebihan yang dimiliki, listrik sebagai salah satu bentuk energi
membutuhkan penyaluran untuk sampai ke tujuan. Dalam penyalurannya energi listrik,
dibutuhkan peralatan-peralatan pengaman untuk mencegah hubung singkat, sambaran petir,
dan arus bocor . Bahaya listrik yang sering terjadi dalam kehidupan manusia antara lain
kebakaran akibat hubung singkat, kerusakan jaringan tubuh bahkan dapat menyebabkan
kematian akibat tersengat listrik. Peralatan- peralatan standar yang sering digunakan seperti
mini circuit breaker (MCB), sekering dan kawat tanah ternyata tidak selalu dapat
menghindarkan manusia dari bahaya-bahaya tersebut di atas [2-5].
Arus bocor dapat terjadi karena mengalirnya arus dari kawat fasa ke tanah tanpa
melalui kawat netral yang diakibatkan karena adanya kebocoran isolasi atau karena ada
manusia/hewan yang tersengat listrik. Akibat utama dari gangguan arus yang melalui
konduktor atau alat lain yang tidak diharapkan untuk menerima arus adalah peningkatan
suhu yang tidak normal. Suhu yang terlalu tinggi ini dapat menyebabkan kerusakan pada
kabel atau bahkan percikan api pada material, lalu terbakar.
Aliran arus merusak dua fungsi tubuh yang vital yaitu pernafasan dan detak jantung.
Manusia yang tersengat arus listrik memiliki tingkat ketahanan yang berbeda-beda terutama
Perancangan Earth Leakage Circuit Braker Dengan Sensitivitas……(Pandung Sarungallo)
ISSN: 1693-6930
126 „
tergantung pada usia, namun secara umum efeknya tergantung dari jumla h arus listrik
(ampere) yang terkontak. Beberapa jenis alat pencegah bahaya sengatan listrik yang tersedia
dipasaran hanya dapat bekerja pada arus sebesar 30 mA, padahal untuk arus sebesar ini
sudah dapat mengakibatkan kerusakan jaringan tubuh manusia [2, 6-9].
Cara lama yang masih digunakan sampai saat ini untuk mengatasi bahaya
sengatan listrik adalah dengan memasang kawat tanah. Permasalahan yang muncul adalah
tidak semua rumah tinggal memiliki instalasi kawat tanah dan sebagian besar peralatan listrik
yang ada dipasaran tidak dilengkapi dengan kawat tanah. Ak ibat ny a walaupun instalasi
pada rumah
tinggal memiliki kawat tanah, manusia tetap memiliki peluang untuk terkena
sengatan listrik [1, 3-5, 7-9].
Penelitian ini dilakukan untuk mengatasi permasalahan tersebut diatas. Sedangkan
tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk merancang peralatan pendeteksi arus bocor dan
mengaplikasikannya sebagai alat untuk mencegah bahaya sengatan listrik bagi manusia serta
menguji kinerja dari peralatan apakah dapat bekerja pada arus minimal sebesar
20 mA.
2. METODE PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Teknologi Terapan Fakultas Matematika dan
Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Papua. Sedangkan metode yang digunakan
dalam penelitian ini adalah metode eksperimen untuk menentukan hubungan antara variabelvariabel yang diteliti.
Variabel yang diamati dalam penelitian ini menyangkut variabel dependen dan variabel
independen. Termasuk dalam variabel dependen antara lain besarnya arus bocor (IF) yaitu 20
mA dan tegangan sumber 220 Volt, sedangkan variabel independennya adalah lilitan primer
transformator (Np) dan jumlah lilitan sekunder transformator (Ns).
Peralatan pendeteksi arus bocor yang akan dirancang harus sederhana namun handal
serta tidak memerlukan peralatan elektronik yang rumit, yaitu hanya menggunakan
transformator arus dengan relai sebagai penyambung dan pemutus daya. Permasalahan
yang kemudian muncul adalah apakah arus bocor minimal sebesar 20 mA cukup mampu untuk
bekerja memutuskan sirkuit.
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain: normally close relai, inti
transformator dari ferrite, variabel resistor dan multimeter. Disamping itu juga diperlukan kawat
tembaga sebagai bahan untuk menggulung transformator arus.
Pembuatan alat Earth Leakage Circuit Breaker pada penelitian ini dilakukan dalam 3
tahap (a, b, c) seperti diperlihatkan pada Gambar 1.
a
c
b
Gambar 1. Tahap perancangan ELCB
2. 1. Penentuan Kapasitas Input Rangkaian
Sumber yang digunakan dalam rangkaian percobaan ini adalah sumber dengan kapasitas
900 VA. Pemilihan sumber ini berdasarkan pertimbangan untuk aplikasi ELCB hasil rancangan
TELKOMNIKA Vol. 6, No. 2, Agustus 2008 : 125 - 130
TELKOMNIKA
ISSN: 1693-6930
■ 127
adalah pelanggan rumah tangga yang memiliki rata-rata kapasitas daya 900 VA. Tegangan
input adalah sumber tegangan satu fasa dari PLN V=220 Volt, frekwensi 50 Hz dan
menggunakan circuit breaker dengan arus nominal 4 A.
2. 2. Pembuatan Alat Pengatur Arus Bocor
Arus listrik merupakan aliran muatan listrik dari suatu tempat ketempat lain karena
adanya beda potensial listrik. Arus bocor merupakan arus listrik yang mengalir dari kawat fasa
ke tanah tanpa melalui kawat netral. Hal ini dapat disebabkan isolasi penghantar yang
buruk/rusak dan menempel ke tanah, bekas sambungan kabel yang tidak diisolasi dengan baik
atau adanya arus yang mengalir ke tanah melalui tubuh makhluk hidup terutama pada manusia
(electocution).
Akibat utama dari gangguan arus yang melalui konduktor atau alat lain yang tidak
diharapkan untuk menerima arus adalah peningkatan suhu yang tidak normal. Suhu yang
terlalu tinggi ini dapat menyebabkan kerusakan pada kabel atau bahkan percikan api pada
material, lalu terbakar. Efek lain dari arus bocor adalah tersengatnya manusia atau hewan yang
terkontak dengan peralatan tersebut. Tabel berikut berisi batasan atas jumlah arus listrik dan
efeknya pada kesehatan [2].
Tabel 1. Batasan-batasan arus dan pengaruhnya kepada manusia
Jumlah Arus Listrik
Efek Pada Tubuh
1 (mA)
Terasa ditangan
2 mA
Bengkak ditangan
3,5 mA
Rasa sakit karena kejut (mungkin dapat mengakibatkan
jatuh atau kecelakaan lain)
5 mA
Tremor pada tangan
7 mA
Kontraksi otot yang tidak terkendali di lengan
10-20 mA
Tidak dapat melepaskan kontak dengan peralatan atau
kabel berlistrik karena otot terkunci
30 mA
Tidak bisa bernapas
50-250 mA
Detak jantung yang tidak normal, biasanya dapat
menyebabkan kematian
Arus listrik merupakan aliran muatan listrik dari suatu tempat ketempat lain karena
adanya beda potensial listrik. Arus bocor merupakan arus listrik yang mengalir dari kawat fasa
ke tanah tanpa melalui kawat netral. Hal ini dapat disebabkan isolasi penghantar yang
buruk/rusak dan menempel ke tanah, bekas sambungan kabel yang tidak diisolasi dengan baik
atau adanya arus yang mengalir ke tanah melalui tubuh makhluk hidup terutama pada manusia
(electocution).
Akibat utama dari gangguan arus yang melalui konduktor atau alat lain yang tidak
diharapkan untuk menerima arus adalah peningkatan suhu yang tidak normal. Suhu yang
terlalu tinggi ini dapat menyebabkan kerusakan pada kabel atau bahkan percikan api pada
material, lalu terbakar. Efek lain dari arus bocor adalah tersengatnya manusia atau hewan yang
terkontak dengan peralatan tersebut. Tabel berikut berisi batasan atas jumlah arus listrik dan
efeknya pada kesehatan [2].
Arus mengalir dalam penghantar pentanahan diukur dengan menghubungkan alat ukur
secara seri dengan hubungan pentanahan. Alat ukur juga dapat dhubungkan diantara keluaran
power supply dengan ground/tanah. Pengujian meliputi penukaran hubungan fasa dengan
netral dan meng-on-off-kan power supply sambil mengamati arus yang mengalir. Tahap
pengujian dilakukan setelah peralatan bekerja dan temperaturnya meningkat dengan maksud
untuk mengidentifikasi dan mengukur arus bocor yang terburuk.
Untuk arus bocor yang sangat kecil, alat ukur ditempatkan pada jaringan dan
dihubungkan dengan resistor. Untuk mendapatkan arus bocor sebesar 20 mA sebagai tester
maka digunakan resistor dengan nilai R=5,5 KΩ.
Perancangan Earth Leakage Circuit Braker Dengan Sensitivitas……(Pandung Sarungallo)
ISSN: 1693-6930
128 „
2. 3. Perancangan Transformator Arus
Penelitian ini menggunakan transformator untuk membandingkan arus yang mengalir
pada kawat netral dan kawat fasa. Transformator arus digunakan untuk mengukur arus beban
suatu rangkaian. Dengan menggunakan transformator arus maka arus beban yang besar dapat
diukur hanya dengan menggunakan amperemeter yang tidak terlalu besar.
Dengan mengetahui perbandingan transformasi N1/N2 dan pembacaan amperemeter
(I2), arus beban I1 dapat dihitung. Bila transformator dianggap ideal maka arus beban [3]:
I1 =
N2
I2
N1
(1)
Untuk menjaga agar fluks (φ) tetap tidak berubah, maka perlu diperhatikan agar
rangkaian sekunder selalu tertutup. Dalam keadaan rangkaian sekunder terbuka, ggm N2I2
akan sama dengan nol (karena I2=0) sedangkan ggm N1I1 tetap ada, sehingga fluks normal (φ)
akan terganggu.
Transformator arus ini terdiri dari inti transformator jenis toroidal ferrite dengan diameter
luar 20 mm dan diameter dalam 10 mm dan tebal 15 mm, lilitan primer dan lilitan sekunder.
Arus primer dari transformator arus dalam operasinya merupakan faktor dominan dan tidak
tergantung pada kondisi serta perubahan pembebanan pada rangkaian sisi sekunder. Sisi
primer transformator dihubung seri dengan saluran untuk mendeteksi besarnya arus. Kumparan
primer transformator dihubungkan dengan sumber tegangan dan beban. Kumparan sekunder
transformator arus dihubungkan dengan sebuah relai yang akan memicu circuit breaker untuk
memutuskan sumber arus bila ada arus bocor. Pada Earth Leakage Circuit Breaker dalam
keadaan normal besar arus line (IL) sama dengan arus netral (IN) tetapi berlawanan arah
sehingga fluks yang dihasilkan pada sisi primer transformator arus akan saling meniadakan,
dengan demikian tidak ada induksi pada sisi sekunder transformator arus sehingga relai yang
terhubung pada sisi ini tidak akan bekerja.
Arus bocor yang terjadi dapat berupa sentuhan manusia ke peralatan yang
bertegangan sehingga pada tubuh manusia mengalir IF1 , atau dapat juga karena kegagalan
isolasi pada penghantar yang bertegangan sehingga terjadi kontak dengan peralatan
pentanahan yang mengalirkan arus sebesar IF2. Ketika ada arus IF1 atau IF2 mengalir maka fluks
pada sisi primer transformator tidak lagi sama dengan nol sehingga akan timbul tegangan
induksi. Tegangan induksi pada sekunder menyebabkan relai bekerja memicu circuit breaker
memutuskan sumber arus dengan segera.
Gambar 2. Transformator arus
TELKOMNIKA Vol. 6, No. 2, Agustus 2008 : 125 - 130
TELKOMNIKA
ISSN: 1693-6930
■ 129
Suatu relai elektromagnetik adalah rangkaian elektromagnetik yang mengoperasikan
sejumlah kontak saklar [4]. Ketika suatu arus melewati kumparan, maka inti besi lunak menjadi
termagnetisasi, menarik angker besi dan menutup kontak saklar. Kumparan relai secara elektrik
terisolasi dari kontak saklar, sehingga suatu relai dapat mensaklar rangkaian yang beroperasi
pada tegangan yang berbeda dengan tegangan kerja koil. Arus kecil yang memberi tenaga
pada kumparan juga dapat mensaklar arus yang lebih besar pada kontak saklar. Bagian saklar
relai dapat memiliki banyak kutub yang mengendalikan beberapa rangkaian secara bersamaan.
Relai yang digunakan adalah relai pengendali elektromekanis kontak normally close
(NC). Dengan prinsip kerja kontak normally close akan tertutup apabila kumparan tidak diberi
daya dan akan terbuka ketika kumparan diberi daya. Kontruksi transformator arus yang akan
dibuat ditampilkan pada Gambar 2.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Perancangan alat Earth Leakage Circuit Breaker ini menggunakan inti transformator
jenis toroidal dengan diameter luar 20 mm, diameter dalam 10 mm dan tebal 15 mm, relai
elektromekanis dengan arus kerja 2 mA. Variabel yang diamati dalam penelitian ini adalah arus
sekunder (Is) transformator jika terdapat arus bocor sebesar 20 mA. Hasil pengukuran arus
sekunder (Is) untuk masing-masing perlakuan disajikan pada Tabel 2. Terlihat pada Tabel 2
bahwa dengan semakin besarnya jumlah lilitan sekunder (Ns) maka arus sekunder (Is) semakin
kecil.
No
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Tabel 2. Hubungan jumlah lilitan sekunder (Ns) dengan arus sekunder (Is)
Jumlah lilitan
Arus (mA)
Relai
Np1
Np2
Ns
IF
Is
2
2
2
20
20
Bekerja
2
2
4
20
11
Bekerja
2
2
8
20
7
Bekerja
2
2
12
20
5
Bekerja
2
2
16
20
2
Bekerja
2
2
20
20
1
Tidak bekerja
Earth Leakage Circuit Breaker (ELCB) terdiri dari transformator arus yang berfungsi
menginduksi arus bocor dari sisi primer ke sisi sekunder yang akan menyebabkan relai bekerja
memutuskan arus dari sumber. Karakteristik transformator dipengaruhi oleh jenis bahan inti
yang digunakan, jumlah lilitan pada sisi primer dan sisi sekunder transformator. Dalam operasi
transformator arus, arus primer merupakan faktor dominan dan tidak tergantung pada kondisi
serta perubahan pembebanan pada rangkaian sekunder. Karena pada umumnya arus primer
itu besar sedang beban sekundernya tidak berarti, maka jumlah lilitan primer hanya memiliki
beberapa belitan saja dengan impedansi yang sangat rendah [5-9] sehingga dalam
perancangan ini ditetapkan lilitan primer (Np) adalah 2 lilitan.
Hasil pengukuran pada Tabel 2. yang memperlihatkan penurunan arus sekunder
dengan penambahan jumlah lilitannya sesuai dengan persamaan transformator [5]:
Ip Ns
=
N p I p = N s I s atau
Is N p
(1)
Tinjauan awal dilakukan pada perubahan jumlah lilitan sekunder, untuk lilitan sekunder
sebanyak 2 lilitan diperoleh arus sekunder (arus relai) sebesar 20 mA , selanjutnya dengan
penambahan lilitan sekunder maka arus sekunder semakin kecil. Tabel 2. menunjukkan
kombinasi maksimum untuk menghasilkan arus sekunder yang dapat membuat relai bekerja
terletak pada kombinasi lilitan primer sama dengan 2 dan lilitan sekunder dapat diambil dari
variasi 1 sampai dengan 16 lilitan. Namun dengan keterbatasan kemampuan alat ukur dan juga
Perancangan Earth Leakage Circuit Braker Dengan Sensitivitas……(Pandung Sarungallo)
130 „
ISSN: 1693-6930
karena adanya rugi-rugi inti transformator maka hasil pengukuran tidak tepat sama dengan
hasil perhitungan secara teoritis berdasarkan persamaan transformator ideal.
4. SIMPULAN
Penelitian ini telah berhasil merancang ELCB dengan sensitivitas 20mA. ELCB tersebut
dirancang menggunakan relai elektromekanis dengan arus kerja 2 mA dan transformator arus
dengan inti jenis toroidal diameter luar 20 mm, diameter dalam 10 mm dan tebal 15 mm,
dengan kombinasi lilitan primer sama dengan 2 lilitan dan variasi jumlah lilitan sekunder dari 2–
16 lilitan.
Berdasarkan pada penelitian dan percobaan yang dilakukan, dapat diketahui bahwa
karakteristik Earth Leakage Circuit Breaker (ELCB) sangat ditentukan oleh karakteristik
transformator arus dan relai yang digunakan. Hasil perhitungan secara teoritis berdasarkan
persamaan transformator ideal berbeda dengan hasil pengukuran, hal ini dapat disebabkan
oleh keterbatasan alat ukur dan juga karena adanya rugi-rugi inti transformator.
Relai elektromekanis dengan arus kerja 2mA sangat sulit diperoleh dan harganya pun
relatif mahal. Penelitian lanjutan perlu dilakukan dengan menggunakan jenis inti transformator
dan relai yang berbeda untuk mendapatkan kombinasi yang lebih ekonomis.
DAFTAR PUSTAKA
[1]. C. Chih-Ju, H. Ying-Tung, W. Jhane-Li, and H. Yaw-Tzong, "Distribution of Earth
Leakage Currents in Railway Systems with Drain Auto-transformers", Power Delivery,
IEEE Transactions on, vol. 16, pp. 271-275, 2001.
[2]. V. Cohen, "The Benefits of Good Protection in Low Voltage Systems for Developing
Communities", in AFRICON '92 Proceedings., 3rd AFRICON Conference, 1992, pp. 420425.
[3]. Bush, Diane dkk., ”Dokumen Kesehatan dan Keselamatan Kerja”, Lembaga Informasi
Perburuhan Semarak, Bandung, 2000.
[4]. D. Kendall, "Development of High Permeability Cores for Earth Leakage Protection
Devices", in Factory 2000 - The Technology Exploitation Process, Fifth International
Conference on (Conf. Publ. No. 435), 1997, pp. 34-36.
[5]. Fitzgerald, A.E., Kingsley.C.Umans, D.Achyanto, “Mesin-Mesin Listrik”, Erlangga, Jakarta,
1992.
[6]. Nagrath, D.P. Kothari, “Modern Power System Analysis”, second edition. Tata McGrawHill, New Delhi, 1980
[7]. Wildi, T., “Electrical Machines, Drives, and Power System”, third edition. Prentice-Hall
International.Inc, 1997.
[8]. L. J. Brunton, "Earth Leakage Problems and Solutions on Tyne and Wear Metro", in
Stray Current Effects of DC Railways and Tramways, IEE Colloquium on, 1990, pp. 3/3/13/3/6.
[9]. C. Yuan-Chen, H. Kou-Hwa, L. Kuo-Bin, and S. Hsu-Ming, "Earth Leakage Problem of
Superconductor Magnet System at TLS", in Particle Accelerator Conference, 2007. PAC.
IEEE, 2007, pp. 377-379.
TELKOMNIKA Vol. 6, No. 2, Agustus 2008 : 125 - 130