Circuit Breaker (CB) atau Pemutus Tenaga/Daya (PMT)

Circuit Breaker (CB) atau Pemutus Tenaga/Daya (PMT)

1.        Pengertian Circuit Breaker

Circuit Breaker (CB) atau Pemutus Tenaga/Daya (PMT) adalah peralatan pada sistem tenaga listrik yang berfungsi untuk memutuskan hubungan antara sisi sumber tenaga listrik dan sisi beban yang dapat bekerja secara otomatis ketika terjadi gangguan atau secara manual ketika dilakukan perawatan atau perbaikan.

2.        Jenis-Jenis Circuit Breaker

a.         Circuit Breaker Udara (Air Circuit Breaker)

Gambar 1 Air Circuit Breaker

PMT jenis ini menggunakan metode yang paling sederhana, yaitu memperpanjang lintasan arc. Karena efek pemanjangan lintasan ini diharapkan arc dapat segera dipadamkan. Adapun beberapa bentuk pemanjangan lintasan pada kontak PMT yang umum dikenal adalah sebagai berikut:

a)    Kontak Sela Tanduk

Saat  kontak dipisahkan,  busur  api  terbentuk  pada  bagian bawah   kontaknya.   Panas   yang   ditimbulkan busur  api  membuat  suhu  lebih  tinggi  dari  pada suhu  di  bagian  atasnya,  sehingga  terjadi  aliran udara   dari   bawah   ke   atas.   Busur   api   yang panjang  sangat  mudah  dipadamkan  oleh  arus konveksi   udara,   sehingga   busur   api   sudah padam    sebelum    mencapai    ujuung    tanduk. Pemutus   daya   seperti   ini   digunakan   untuk rangkaian  AC  dan  DC  tegangan rendah  dan arus pemutus sampai ratusan ampere.

Gambar 2 Proses Pemadaman Busur Api Air Circuit Breaker Dengan Menggunakan Kontak Sela Tanduk

b)   Kontak Tabir Konduktor

Tabir konduktor metal yang terletak di antara kontak memotong arc yang muncul sehingga hasil pemotongan arc pada tiap tabir mengalami pemanjangan lintasan dan pendinginan dan arc dapat segera dipadamkan. PMT jenis ini dapat digunakan hingga tegangan beberapa ribu volt dan arus hingga beberapa ribu ampere.

Gambar 3 Proses Pemadaman Busur Api Air Circuit Breaker Dengan Menggunakan Kontak Tabir Konduktor

c)    Kontak Tabir Isolator

Tabir isolator yang terdapat di antara kontak membuat arc terpaksa menelusuri permukaan tabir untuk bisa mencapai kontak. Pada PMT jenis ini pemadaman arc terjadi karena efek pemanjangan lintasan, pendinginan, dan peluang partikel bermuatan untuk mengadakan rekombinasi. PMT jenis ini dapat digunakan hingga tegangan 10kV dan arus hingga 50kA.

Gambar 4 Proses Pemadaman Busur Api Air Circuit Breaker Dengan Menggunakan Kontak Tabir Isolator

·      Komponen MN/UVR/UVT

Pada prinsipnya, Air Circuit Breaker akan bekerja jika terdapat tegangan pada UVT (Under Voltage Toggle) sehingga memunculkan tarikan pada toggle. Ketika toggle ini terlepas, maka sistem mekani Air Circuit Breaker akan terkunci atau dalam kondisi off.

·      Closing Release

Cara kerja Air Circuit Breaker ditinjau dari closing releasenya adalah sebagai berikut. Ketika tegangan masuk, maka toggle akan menarik Air Circuit Breaker sehingga ia akan ada pada mode ON. Sementara itu jika dilepas tegangannya maka ia akan tertutup kembali. Selain itu untuk dapat memastikan closing releasenya terputus dan benar-benar tidak bekerja lagi, biasanya digunakan cara mengunci (interlock) salah satu komponen yang disebut cable control.

·      Shunt Trip

Shunt trip pada Air Cicuit Breaker adalah sering juga disebut dengan MX. Tugasnya adalah untuk membuka circuit breaker dengan cara mendorong toggle mekanik sehingga sistem menjadi OFF sementara circuit breaker ON. Sistem ini bekerja dengan melewatkan kabel wiring melalui Auxiliary Contact terlebih dahulu.

·      Auxiliary Contact

Alat ini merupakan tombol Switch ON/OFF dengan beberapa kondisi: (1) Normally Open, dimana kondisi normal terbuka atau sering pula disebut lepas, (2) Normally Close yang artinya kondisi normal berhubungan sedang tersambung, dan (3) C artinya kondisi dasar yang dapat terhubung dengan keadaan normal open maupun normal close. Auxiliary Contact ini memiliki fungsi sebagai perlindungan tambahan jika terjadi kegagalan dalam komponen listrik.

Kelebihan:

-          Relatif lebih murah dari segi pembiayaan

-          Jika terjadi kerusakan membutuhkan waktu yang singkat untuk perbaikan

-          PMT jenis ini sangat simpel (tidak makan tempat), kemampuan peredam sangat tinggi dan pemeliharaannya paling sedikit. Umumnya digunakan pada sisi 20 kV.

Kekurangan:

-          Pemutus dari Udara mempunyai dimensi yg kecil jika dibandingkan dengan gas SF6

-          Hanya bisa digunakan untuk rangkaian AC dan DC tegangan rendah dan hanya sampai ratusan amper saja.

-          Pada saat pelepasan sangat mempengaruhi auxiliary lainnya, karena tekanan gas sangat besar yang mempengaruhi dinding isolator dan paking (seal), dan apabila bocor atau rusak pasti meledak dan tidak dapat diperbaiki (harus diganti).

b.        Circuit Breaker Minyak (Oil Circuit Breaker)

Gambar 5 Oil Circuit Breaker

Sakelar PMT ini dapat digunakan untuk memutus arus sampai 10 kA dan pada rangkaian bertegangan sampai 500 kV. Pada saat kontak dipisahkan, busur api akan terjadi didalam minyak, sehingga minyak menguap dan menimbulkan gelembung gas yang menyelubungi busur api, karena panas yang ditimbulkan busur api, minyak mengalami dekomposisi dan menghasilkan gas hydrogen yang bersifat menghambat produksi pasangan ion. Oleh karena itu, pemadaman busur api tergantung pada pemanjangan dan pendinginan busur api dan juga tergantung pada jenis gas hasil dekomposisi minyak.

Gambar 6 Proses Pemadaman Busur Api Oil Circuit Breaker

Gas yang timbul karena dekomposisi minyak menimbulkan tekanan terhadap minyak, sehingga minyak terdorong ke bawah melalui leher bilik. Di leher bilik, minyakini melakukan kontak yang intim dengan busur api. Hal ini akan menimbulkan pendinginan busur api, mendorong proses rekombinasi dan menjauhkan partikel bermuatan dari lintasan busur api. Minyak yang berada diantara kontak sangat efektif untuk memutuskan arus.

Cara kerja PMT Minyak pada proses penutupan:

Batang kontak penggerak (Moving Contact Rod) yang berhubungan dengan kontak bawah (Lower Fixed Contact) bergerak kearah kontak tetap atas (Upper Fixed Contact) sehingga kontak tetap dan kontak bergerak akan terhubung yang merupakan arus dari terminal atas (Upper Terminal) ke terminal bawah (Lower Terminal).

Cara Kerja PMT Minyak pada proses pembukaan:

Batang kontak bergerak yang terhubung dengan kontak tetap bawah, meninggalkan kontak tetap atas, sehingga kontak tetap dan kontak bergerak akan terlepas yang merupakan terputusnya terminal atas dengan terminal bawah.

Kelebihan:

-          Secara operasional handal.

-          Jika memutus berulang kali tidak masalah.

-          Tidak mempengaruhi auxiliary lainnya.

Kekurangan:

-          PMT terlalu besar dan berat.

-          Minyak mudah sekali untuk terbakar.

-          Reaksi yang keras dengan tanah.

-          Frekuensi kegagalan bushing.

-          Kekentalan minyak memperlambat pemisahan kontak, sehingga tidak cocok untuk sistem yang membutuhkan pemutusan arus yang cepat.

c.         Circuit Breaker Udara Tekan (Air Blast Circuit Breaker)

PMT jenis ini dirancang untuk mengatasi kelemahan dari PMT minyak yaitu dengan menggunakan isolator kontak yang tidak mudah terbakar dan tidak menghambat pergerakan kontak sehingga pemadaman arc dapat dilakukan lebih cepat. Saat busur api timbul, udara tekanan tinggidihembuskan kebusurapi dipadamkan oleh hembusan udara tekanan tinggi itu dan juga menyingkirkan partikel-partikel bermuatan dariselakontak, udara ini juga berfungsi untuk mencegah restriking voltage (tegangan pukul ulang).

Gambar 7 Proses Pemadaman Busur Api Air Blast Circuit Breaker

PMT jenis ini mampu bekerja hingga tegangan 765kV dan arus 40kA. Karena memiliki ukuran yang cukup kecil, maka PMT jenis ini lebih dipilih daripada PMT minyak untuk dipergunakan pada wilayah yang menyediakan tempat yang tidak terlalu besar.

Kelebihan:

-       Media Isolator kontak yang tidak mudah terbakar dan tidak menghalangi pimasahan kontak, sehingga pemisahan kontak dapat dilakasanakan dalam waktu yang sangat cepat, dan ini lebih baik dari pada PMT minyak.

-       Resiko kebakaran tidak ada.

-       Busur api benar benar hilang.

-       Waktu pemutusan dan pemadaman sangat cepat.

-       Karena hanya membutuhkan sedikit energi, air blast sangat cocok untuk kondisi dimana pemadaman sering dilakukan.

-       Energi yang di gunakan sangat banyak di alam yaitu udara.

Kekurangan:

-       Air Blast memiliki sifat yang reatif rendah pemadaman busur api.

-       Air Blast Circuit Breaker sangat sensitif dari perubahan terhadap tegangan.

-       Maintenaince kebanyakan pada kompresor untuk pensuplay udara.

-       Pemutus tenaga ini biasanya di gunakan pada tegangan melebihi 110 kV.

d.        Circuit Breaker Vakum (Vacuum Circuit Breaker)

Gambar 8 Vacuum Circuit Breaker Rating 12-24 kV buatan VEI

Sakelar PMT ini dapat digunakan untuk memutus rangkaian bertegangan sampai38 kV. Ruang hampa udara pada CB jenis ini mempunyai kekuatan dielektrik (dielektrik strength) yang tinggi dan sebagai media pemadam busur api yang baik.

Pada vacuum circuit breaker kontak ditempatkan pada suatu bilik vakum. Untuk mencegah udara masuk kedalam bilik, maka bilik ini harus ditutup rapat dan kontak bergeraknya diikat ketat dengan perapat logam. Jika kontak dibuka, maka pada katoda kontak terjadi emisi thermis dan medan teganganyang tinggi yang memproduksi elektron-elektron bebas.Elektron hasil emisi ini bergerak menujuanoda, elektron-elektron bebasinitidak bertemu dengan molekul udarasehinggatidak terjadi proses ionisasi. Akibatnya, tidak ada penambahan elektron bebas yang mengawali pembentukan busur api. Dengan kata lain, busur api dapat dipadamkan.Ruang kontak utama (breaking chambers) dibuat dari bahan antara lain porcelain, kaca atau plat baja yang kedap udara.

Ruang kontak utamanya tidak dapat dipelihara dan umur kontak utama sekitar 20 tahun. Karena kemampuan ketegangan dielektrikum yang tinggi maka bentuk pisik PMT jenis ini relatip kecil.

Gambar 9 Proses Pemadaman Busur Api Vacuum Circuit Breaker

Prinsip kerjanya berbeda dengan dasar prinsip lain kerena tidak terdapat gas yang dapat berionisasi bilamana kontak - kontak terbuka, ketika kontak pemutus dibuka dalam ruang hampa maka akan timbul percikan busur api, elektron dan ion saat pelepasan walaupun hanya sesaat maka dengan cepat diredam karena percikan busur api, elektron dan ion yang dihasilkan pada saat pemutusan akan segera mengembun pada ruangan hampa, kemampuannya terbatas hingga kira-kira 30 kV. untuk tegangan yang lebih tinggi pemutus ini dapat di pasang seri.

Kelebihan:

-       Pemutus sirkuit vakum memiliki umur yang panjang.

-       Tidak seperti Oil Circuit Breaker atau semburan Air Blast Circuit Breaker, ledakan Vakum Circuit Breaker dihindari. Ini meningkatkan keselamatan personel operasi.

-       Tidak ada bahaya kebakaran

-       Circuit Breaker Vakum cepat beroperasi sehingga ideal untuk membersihkan kesalahan. Vakum Circuit Breaker cocok untuk operasi berulang.

-       Pemutus sirkuit vakum hampir bebas perawatan.

-       Tidak ada gas buang ke atmosfer dan bersuara operasi.

Kekurangan:

-       Kerugian utama Vakum Circuit Breaker adalah tidak ekonomis pada tegangan melebihi 38 kVolts.

-       Biaya pemutus menjadi berlebihan pada tegangan yang lebih tinggi. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa pada tegangan tinggi (di atas 38 kV) lebih dari dua nomor pemutus sirkuit harus dihubungkan secara seri.

-       Selain itu, produksi VCB tidak ekonomis jika diproduksi dalam jumlah kecil.

e.         Circuit Breaker SF6 (SF6 Circuit Breaker)

Gambar 10 SF6 Circuit Breaker

Gambar 11 Proses Pemadaman Busur Api SF6 Circuit Breaker

Ada dua kontak tetap dilengkapi dengan celah kontak tertentu. Sebuah jembatan geser silinder ini ke kontak tetap. Silinder aksial bisa meluncur ke atas dan ke bawah sepanjang kontak. Ada satu piston stasioner dalam silinder yang tetap dengan bagian stasioner lain dari SF6 pemutus sirkuit, sedemikian rupa sehingga tidak dapat mengubah posisinya selama gerakan silinder. Seperti piston tetap dan silinder gerak atau geser, volume internal perubahan silinder ketika slidesilinder. Selama pembukaan pemutus silinder bergerak ke bawah terhadap posisi piston tetap maka volume dalam silinder berkurang yang menghasilkan gas terkompresi SF6 dalam silinder. Silinder memiliki jumlah ventilasi samping yang diblokir oleh tubuh kontak tetap atas selama posisi tertutup. Sebagai silinder bergerak ke bawah lebih lanjut, ini bukaan ventilasi menyeberangi kontak tetap atas, dan menjadi diblokir dan kemudian dikompresi gas SF6 dalam silinder akan keluar melalui ventilasi dalam kecepatan tinggi terhadap busur dan melewati lubang aksial kedua kontak tetap. Busur dipadamkan selama ini aliran gas SF6. Selama penutupan SF6 pemutus sirkuit, bergerak silinder geser ke atas dan sebagai posisi piston tetap pada ketinggian tetap, volume meningkat silinder yang memperkenalkan tekanan rendah di dalam silinder dibandingkan dengan sekitarnya. Karena perbedaan tekanan ini gas SF6 dari sekitarnya akan berusaha untuk masuk dalam silinder. Semakin tinggi tekanan gas akan datang melalui lubang aksial kedua kontak tetap dan masuk ke dalam silinder melalui lubang dan selama aliran ini, gas akan memadamkan busur.

Kelebihan:

-       Pengurangan sejumlah pemutus dalam hubungan seri per phasa pada rating tegangan yang digunakan.

-       Karena waktu durasi yang pendek dari busur api, maka bunga api kontak yang terjadi dibatasi meskipun untuk arus hubung singkat yang sangat tinggi.

-       Hasil busur api yang kebanyakan terdiri dari serbuk dengan sifat isolasi yang baik dapat dipindahkan saat perbaikan.

-       Gas blast tidak di-discharge (pelepasan muatan) ke atmosfir sehingga saat bekerja akan lebih tenang jika dibandingkan dengan Air Blast Breaker.

-       Memiliki sifat kimia yang lamban, stabil, tidak mudah terbakar dan tidak beracun.

-       Pemutus dari gas SF6 mempunyai dimensi yang lebih jika dibandingkan dengan Air Blast Breaker.

Kekurangan:

-       Relatif lebih mahal dari segi pembiayaan.

-       Walaupun dalam jumlah yang kecil, apabila terjadi kerusakan maka membutuhkan waktu yang lama untuk perbaikan

-       Gas SF6 harus dipompa ke dalam tabung penyimpan apabila ada penelitian dan maintenance.

-       Karena titik lelehnya sangat rendah yaitu 100 Celcius dan tekanan 1,520 kN/m2, maka perlu dipakai alat pengukur suhu untuk pengontrolan.

-       Pada saat pelepasan sangat mempengaruhi auxiliary lainnya, karena tekanan gas sangat besar yang mempengaruhi dinding isolator dan paking (seal).

f.         Circuit Breaker Magnetik (Magnetic Circuit Breaker)

MCB adalah suatu rangkaian pengaman yang dilengkapi dengan komponen thermis (bimetal) untuk pengaman beban lebih dan juga dilengkapi relay elektromagnetik untuk pengaman hubung singkat.

Pada MCB terdapat dua jenis pengaman yaitu secara thermis dan elektromagnetis, pengaman termis berfungsi untuk mengamankan arus beban lebih sedangkan pengaman elektromagnetis berfungsi untuk mengamankan jika terjadi hubung singkat.

Pengaman thermis pada MCB memiliki prinsip yang sama dengan thermal overload yaitu menggunakan dua buah logam yang digabungkan (bimetal), pengamanan secara thermis memiliki kelambatan, ini bergantung pada besarnya arus yang harus diamankan, sedangkan pengaman elektromagnetik menggunakan sebuah kumpa- ran yang dapat menarik sebuah angker dari besi lunak.

MCB dibuat hanya memiliki satu kutub untuk pengaman satu fasa, sedangkan un- tuk pengaman tiga fasa biasanya memiliki tiga kutub dengan tuas yang disatukan, sehingga apabila terjadi gangguan pada salah satu kutub maka kutub yang lainnya juga akan ikut terputus.

Gambar 12 Magnetic Circuit Breaker

Berdasarkan penggunaan dan daerah kerjanya, MCB dapat digolongkan  menjadi 5 jenis ciri yaitu :

-       Tipe Z (rating dan breaking capacity kecil) Digunakan untuk pengaman rangkaian semikonduktor dan  trafo-trafo yang sen- sitif terhadap tegangan.

-       Tipe K (rating dan breaking capacity kecil) Digunakan untuk mengamankan alat-alat rumah tangga.

-       Tipe G (rating besar) untuk pengaman motor.

-       Tipe L (rating besar) untuk pengaman kabel atau jaringan.

-       Tipe H untuk pengaman instalasi penerangan bangunan.

Pemutus sirkuit circuit breakers Magnetic Magnetic menggunakan (elektromagnet) solenoida yang menarik meningkatkan kekuatan dengan arus. Desain tertentu memanfaatkan kekuatan elektromagnetik selain mereka yang solenoida. Kontak pemutus arus yang diadakan ditutup dengan gerendel. Seperti arus dalam solenoida meningkat di luar rating dari pemutus sirkuit, tarik solenoid itu melepaskan kait yang kemudian memungkinkan kontak untuk membuka oleh tindakan musim semi.

Gambar 13 Proses Pemadaman Busur Api Magnetic Circuit Breaker

Beberapa jenis pemutus magnetik menggabungkan fitur penundaan waktu hidrolik menggunakan cairan kental. Inti adalah dibatasi oleh musim semi sampai saat ini melebihi rating pemutus. Selama kelebihan beban, kecepatan gerak solenoid dibatasi oleh fluida. Penundaan izin saat ini singkat lonjakan luar biasa yang sedang berjalan untuk motor mulai, energi peralatan, dll arus pendek rangkaian solenoid memberikan kekuatan yang cukup untuk melepas kait terlepas dari posisi inti sehingga melewati fitur penundaan. Ambient temperatur mempengaruhi waktu tunda tetapi tidak mempengaruhi nilai sekarang dari breaker magnetik.

Kelebihan:

-       Dapat memutuskan rangkaian tiga fasa walaupun terjadi hubung singkat pada salah satu fasanya.

-       Dapat digunakan kembali setelah rangkaian diperbaiki akibat hubung singkat atau beban lebih.

-       Mempunyai respon yang baik apabila terjadi hubung singkat atau beban lebih.

Kekurangan:

-          Hanya digunakan pada sistem listrik rendah.