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: psarungallo@yahoo.com, ab_rehiara@yahoo.com
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 Alexander 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
tergantung pada usia, namun secara umum efeknya tergantung dari jumlah 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 variabel-variabel 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
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.
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]:
2 1 2 1
I
N
N
I
=
(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.
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.
Tabel 2. Hubungan jumlah lilitan sekunder (Ns) dengan arus sekunder (Is) Jumlah lilitan Arus (mA)
No Np1 Np2 Ns IF Is Relai 1. 2 2 2 20 20 Bekerja 2. 2 2 4 20 11 Bekerja 3. 2 2 8 20 7 Bekerja 4. 2 2 12 20 5 Bekerja 5. 2 2 16 20 2 Bekerja 6. 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]:
s s p p
I
N
I
N
=
atau pN
Ns
Is
Ip =
(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
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.
420-425.
[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 McGraw-Hill, 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. 3/3/1-3/3/6.
[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.
