Desain Sirkuit yang Aman

Seperti yang kita lihat sebelumnya, sistem tenaga tanpa koneksi aman ke arde tidak dapat diprediksi dari perspektif keselamatan. Tidak ada cara untuk menjamin seberapa besar atau sedikit tegangan yang akan ada antara titik mana pun di sirkuit dan arde.

Dengan mengardekan satu sisi sumber tegangan sistem tenaga, setidaknya satu titik di sirkuit dapat dipastikan terhubung dengan bumi secara elektrik dan oleh karena itu tidak menimbulkan bahaya sengatan listrik. Dalam sistem tenaga listrik dua kawat sederhana, konduktor yang terhubung ke ground disebut netral , dan konduktor lainnya disebut panas , juga dikenal sebagai langsung atau aktif :

Sejauh menyangkut sumber tegangan dan beban, pembumian tidak ada bedanya sama sekali. Itu ada murni demi keselamatan pribadi, dengan menjamin bahwa setidaknya satu titik di sirkuit akan aman untuk disentuh (tegangan nol ke ground).

Sisi "panas" dari sirkuit, dinamai karena potensinya untuk bahaya sengatan listrik, akan berbahaya untuk disentuh kecuali voltase diamankan dengan pemutusan yang tepat dari sumbernya (idealnya, menggunakan prosedur penguncian/penandaan yang sistematis).

Ketidakseimbangan bahaya antara dua konduktor dalam rangkaian daya sederhana ini penting untuk dipahami. Rangkaian ilustrasi berikut didasarkan pada sistem pengkabelan rumah tangga biasa (menggunakan sumber tegangan DC daripada AC untuk kesederhanaan).

Jika kita melihat peralatan listrik rumah tangga yang sederhana seperti pemanggang roti dengan wadah logam konduktif, kita dapat melihat bahwa seharusnya tidak ada bahaya sengatan listrik saat beroperasi dengan benar. Kabel yang menghantarkan daya ke elemen pemanas pemanggang roti diisolasi agar tidak bersentuhan dengan wadah logam (dan satu sama lain) dengan karet atau plastik.

Namun, jika salah satu kabel di dalam pemanggang roti secara tidak sengaja bersentuhan dengan kotak logam, kasing akan menjadi menyatu secara elektrik dengan kabel, dan menyentuh kotak akan sama berbahayanya dengan menyentuh kawat yang telanjang. Apakah ini menimbulkan bahaya kejut atau tidak tergantung pada yang kawat tidak sengaja menyentuh:

Jika kabel "panas" menyentuh kasing, itu membahayakan pengguna pemanggang roti. Sebaliknya, jika kabel netral menyentuh casing, tidak ada bahaya kejutan:

Untuk membantu memastikan bahwa kegagalan sebelumnya lebih kecil daripada yang terakhir, para insinyur mencoba merancang peralatan sedemikian rupa untuk meminimalkan kontak konduktor panas dengan kasing.

Idealnya, tentu saja, Anda tidak ingin salah satu kabel secara tidak sengaja bersentuhan dengan kotak konduktif alat, tetapi biasanya ada cara untuk merancang tata letak bagian-bagian untuk membuat kontak yang tidak disengaja lebih kecil kemungkinannya untuk satu kabel daripada yang lain.

Namun, tindakan pencegahan ini hanya efektif jika polaritas steker listrik dapat dijamin. Jika steker dapat dibalik, maka konduktor yang kemungkinan besar akan menyentuh casing mungkin adalah konduktor yang "panas":

Peralatan yang dirancang dengan cara ini biasanya dilengkapi dengan colokan "terpolarisasi", salah satu cabang steker sedikit lebih sempit dari yang lain. Stopkontak daya juga dirancang seperti ini, satu slot lebih sempit dari yang lain.

Akibatnya, steker tidak dapat dimasukkan "mundur", dan identitas konduktor di dalam peranti dapat dijamin. Ingatlah bahwa ini tidak berpengaruh apa pun pada fungsi dasar alat:ini semata-mata demi keselamatan pengguna.

Beberapa insinyur mengatasi masalah keamanan hanya dengan membuat casing luar alat tidak konduktif. Peralatan semacam itu disebut berinsulasi ganda karena kotak insulasi berfungsi sebagai lapisan insulasi kedua di atas dan di luar konduktor itu sendiri. Jika kabel di dalam alat secara tidak sengaja bersentuhan dengan kasing, tidak ada bahaya bagi pengguna alat.

Insinyur lain mengatasi masalah keselamatan dengan mempertahankan casing konduktif, tetapi menggunakan konduktor ketiga untuk menyambungkan casing ke ground dengan kuat:

Cabang ketiga pada kabel daya menyediakan sambungan listrik langsung dari kotak peralatan ke ground arde, membuat kedua titik tersebut sama secara elektrik satu sama lain. Jika listriknya sama, maka tidak boleh ada tegangan yang jatuh di antara keduanya.

Setidaknya, begitulah seharusnya bekerja. Jika konduktor panas secara tidak sengaja menyentuh kotak peralatan logam, itu akan membuat hubungan arus pendek langsung kembali ke sumber tegangan melalui kabel arde, membuat perangkat proteksi arus lebih tersandung. Pengguna alat akan tetap aman.

Inilah sebabnya mengapa sangat penting untuk tidak pernah memotong cabang ketiga dari steker listrik saat mencoba memasukkannya ke dalam stopkontak dua cabang. Jika ini dilakukan, kasing alat tidak akan diarde untuk menjaga keamanan pengguna.

Alat akan tetap berfungsi dengan baik, tetapi jika ada kesalahan internal yang menyebabkan kabel panas bersentuhan dengan kasing, akibatnya bisa mematikan. Jika wadah dua cabang harus digunakan, adaptor stopkontak dua hingga tiga cabang dapat dipasang dengan kabel ground yang terpasang pada sekrup penutup ground. Ini akan menjaga keamanan alat yang diarde saat dicolokkan ke stopkontak jenis ini.

Namun, teknik yang aman secara elektrik tidak selalu berakhir pada beban. Perlindungan terakhir terhadap sengatan listrik dapat diatur pada sisi catu daya sirkuit daripada peralatan itu sendiri. Perlindungan ini disebut deteksi gangguan tanah , dan cara kerjanya seperti ini:

Dalam alat yang berfungsi dengan baik (ditunjukkan di atas), arus yang diukur melalui konduktor panas harus sama persis dengan arus yang melalui konduktor netral, karena hanya ada satu jalur bagi elektron untuk mengalir di sirkuit. Tanpa kesalahan di dalam alat, tidak ada hubungan antara konduktor sirkuit dan orang yang menyentuh kasing, dan karenanya tidak ada kejutan.

Namun, jika kabel panas secara tidak sengaja menyentuh kotak logam, akan ada arus melalui orang yang menyentuh kotak. Kehadiran arus kejut akan dimanifestasikan sebagai perbedaan arus antara dua konduktor daya pada stopkontak:

Perbedaan arus antara konduktor "panas" dan "netral" ini hanya akan ada jika ada arus melalui sambungan ground, yang berarti ada gangguan pada sistem. Oleh karena itu, perbedaan arus seperti itu dapat digunakan sebagai cara untuk mendeteksi kondisi kesalahan.

Jika perangkat diatur untuk mengukur perbedaan arus antara dua konduktor daya ini, deteksi ketidakseimbangan arus dapat digunakan untuk memicu pembukaan sakelar pemutus, sehingga memutus daya dan mencegah kejutan serius:

Perangkat tersebut disebut Ground Fault Current Interrupters , atau singkatnya GFCI. Di luar Amerika Utara, GFCI dikenal sebagai sakelar pengaman, perangkat arus sisa (RCD), RCBO atau RCD/MCB jika digabungkan dengan pemutus sirkuit mini, atau pemutus sirkuit kebocoran pembumian (ELCB).

Mereka cukup kompak untuk dibangun menjadi stopkontak listrik. Wadah ini mudah diidentifikasi dengan tombol "Uji" dan "Reset" yang khas. Keuntungan besar menggunakan pendekatan ini untuk memastikan keamanan adalah bahwa pendekatan ini bekerja terlepas dari desain alatnya.

Tentu saja, menggunakan alat berinsulasi ganda atau diarde selain stopkontak GFCI akan lebih baik lagi, tetapi menyenangkan mengetahui bahwa ada sesuatu yang dapat dilakukan untuk meningkatkan keselamatan di luar desain dan kondisi alat.

Pemutus sirkuit gangguan busur (AFCI) , pemutus sirkuit yang dirancang untuk mencegah kebakaran, dirancang untuk terbuka pada korsleting resistif intermiten. Misalnya, pemutus 15 A normal dirancang untuk membuka sirkuit dengan cepat jika dibebani jauh melebihi nilai 15 A, lebih lambat sedikit di luar nilai.

Meskipun ini melindungi terhadap arus pendek langsung dan beberapa detik kelebihan beban, masing-masing, itu tidak melindungi terhadap busur – mirip dengan pengelasan busur. Busur adalah beban yang sangat bervariasi, berulang-ulang memuncak pada lebih dari 70 A, sirkuit terbuka dengan arus bolak-balik zero-crossing.

Meskipun arus rata-rata tidak cukup untuk membuat pemutus standar tersandung, cukup untuk menyalakan api. Busur ini dapat dibuat oleh korsleting logam yang membakar logam terbuka, meninggalkan plasma gas terionisasi yang resistif.

AFCI berisi sirkuit elektronik untuk merasakan korsleting resistif intermiten ini. Ini melindungi dari busur panas ke netral dan panas ke tanah. AFCI tidak melindungi dari bahaya kejutan pribadi seperti yang dilakukan GFCI. Dengan demikian, GFCI masih perlu dipasang di dapur, kamar mandi, dan sirkuit luar ruangan.

Karena AFCI sering kali trip saat menghidupkan motor besar, dan lebih umum lagi pada motor yang disikat, pemasangannya dibatasi pada sirkuit kamar tidur oleh Kode Listrik Nasional AS. Penggunaan AFCI harus mengurangi jumlah kebakaran listrik. Namun, gangguan perjalanan saat menjalankan peralatan dengan motor di sirkuit AFCI adalah masalah.

TINJAUAN:

• Sistem tenaga sering kali memiliki satu sisi suplai tegangan yang terhubung ke arde untuk memastikan keamanan pada titik tersebut.
• Konduktor yang “dibumikan” dalam sistem tenaga disebut netral konduktor, sedangkan konduktor yang tidak diarde disebut panas .
• Pembumian dalam sistem tenaga dilakukan demi keselamatan pribadi, bukan pengoperasian beban.
• Keamanan listrik suatu alat atau beban lainnya dapat ditingkatkan dengan teknik yang baik:colokan terpolarisasi, insulasi ganda, dan colokan “pembumian” tiga cabang adalah semua cara agar keselamatan dapat dimaksimalkan di sisi beban.
• Pengganggu Arus Gangguan Tanah (GFCI) bekerja dengan merasakan perbedaan arus antara dua konduktor yang memasok daya ke beban. Seharusnya tidak ada perbedaan arus sama sekali. Perbedaan apa pun berarti bahwa arus harus masuk atau keluar dari beban dengan beberapa cara selain dari dua konduktor utama, yang tidak baik. Perbedaan arus yang signifikan akan secara otomatis membuka mekanisme sakelar pemutus, memutus daya sepenuhnya.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Landasan Keselamatan
• Lembar Kerja Perlindungan Arus Lebih