SISTEM PENGAMAN KEBOCORAN ARUS LISTRIK PADA PEMANAS AIR ELEKTRIK

  

Tema: 7 Ilmu-ilmu murni (Matematika, Fisika, Kimia dan Biologi)

SISTEM PENGAMAN KEBOCORAN ARUS LISTRIK PADA

PEMANAS AIR ELEKTRIK

  

Oleh

• *

  Hartono , Sugito dan R.Farzand Abdullatif

  

Jurusan Fisika, FMIPA -Universitas Jenderal Soedirman, Jln. Dr.Soeparno

  

61Purwokerto

• *

  Penulis koresponden: harlaras@gmail.com

  

ABSTRAK

  Kebocoran arus listrik dalam air pada pemanas air elektrik mempunyai dampak yang sangat membahayakan. Sistem pengaman kebocoran arus listrik pada pemanas air elektrik berhasil dibuat. Sistem pengaman dibuat menggunakan sensor kebocoran arus listrik dan saklar elektronik untuk mengendalikan pemanas air. Kegiatan ini dilakukan dalam dua tahapan, yaitu pembuatan sensor kebocoran arus listrik dan pembuatan sistem kontrol. Sensor dibuat dari elektroda tembaga yang ditanam dalam pipa PVC. Pengujian sensor dilakukan terhadap variasi tegangan pada hambatan tetap dan variasi hambatan pada tegangan tetap. Variasi tegangan AC dilakukan dari 0 sampai 220 volt sementara variasi hambatan mulai dari 1 K

   sampai 100 K. Kondisi hambatan 1 K  mewakili hambatan kulit tubuh manusia dalam keadaan basah dan 100 K mewakili hambatan kulit tubuh dalam keadaan kering terisolasi. Hasil pengujian sensor menunjukkan bahwa efek kejutan listrik yang memberikan sensasi syok tidak nyeri terjadi mulai tegangan 30 V dengan arus sebesar 5,16 mA. Sistem kontrol diatur akan mematikan pemanas air elektrik secara otomatis apabila terjadi kebocoran arus listrik kurang dari 5 mA, yaitu pada tegangan bocor 20 V.

  Kata kunci: sistem pengaman, kebocoran arus listrik, pemanas air elektrik, sensor arus.

  ABSTRACT Electric current in water on an electric water heater has a very harmful effect. Electric

safety system from electrical current on electric water heater successfully made. The safety system

is made using an electric current leak sensor and an electronic switch to control the water heater.

This researchhas been done in two steps, that is manufacture of electrical leakage sensors and the

manufacture of control systems. Sensors are made from copper electrodes grown in PVC pipes.

  

Sensor testing is carried out on voltage variations in fixed resistance and resistance variations at

fixed voltage. Variations of AC voltage are carried out from 0 to 220 volts while variations in

resistance range from 1 K  to 100 K. The 1 K indicates the state of the wet body and 100 K

represents the skin isolated dry state. The results of the sensor test show that the electric shock

effect that gives the sensation of painless shock occurs from a voltage of 30 V with a current of 5.16

mA. The control system is set to automatically turn off the electric water heater in case of electrical

current leakage less than 5 mA, ie at 20 V leakage voltage. Keywords: safety system, electrical current leak, electric water heater, current sensor.

  PENDAHULUAN

  Kebocoran arus listrik adalah terjadinya aliran arus listrik dalam suatu jaringan kelistrikan yang tidak semestinya. Kondisi ini merupakan kondisi ketidaknormalan yang terjadi pada instalasi listrik maupun perangkat elektronik. Kondisi ketidaknormalan ini dapat terjadi karena beberapa faktor, antara lain: terjadinya persambungan yang tidak sempurna, terjadinya kebocoran isolasi, terjadinya kerusakan komponen atau kabel yang terkelupas. Arus listrik tidak hanya mengalir melalui bahan penghantar atau konduktor padat, melainkan juga dapat terjadi melalui medium cair, seperti air. Akibat terjadinya kebocoran arus listrik dapat menyebabkan terjadinya sengatan listrik pada tubuh manusia (Emedicine Health, 2015)

  Setiap penghantar mempunyai hambatan yang bervariasi dalam mengalirkan arus listrik. Tubuh manusia merupakan salah satu penghantar listrik yang baik sekalipun tubuh manusia memiliki hambatan listrik. Hambatan tubuh manusia pada kondisi kulit kering berkisar antara 1000 sampai dengan 100.000 , sedangkan pada kondisi kulit basah akan menurun sampai  1000  (Reddy & Reddy, 2013). Sengatan arus listrik yang terjadi pada tubuh manusia akan memberikan dampak negatif yang bervariasi. Dampak yang dapat terjadi mulai yang paling ringan adalah kejutan otot, kejang pada sebagian organ termasuk jantung sampai pada terbakarnya jaringan tubuh (All About Circuits, 2015). Kejadian sengatan arus listrik yang selama ini sering terjadi adalah karena aliran arus listrik bolak balik (AC). Dampak yang terjadi akibat sengatan arus listrik AC lebih berbahaya dari pada arus DC pada tegangan yang sama (Bikson, 2004). Berdasarkan pada penelitian yang pernah dilakukan Cekin N, dkk menunjukkan bahwa kematian akibat sengatan listrik tegangan rendah di rumah tangga dan tempat kerja mencapai 34,9%(Cekin, 2005).

  Arus listrik merupakan aliran muatan listrik dalam suatu penghantar setiap waktu. Aliran muatan listrik dapat melalui berbagai wujud penghantar, baik dalam wujud padat maupun cair. Air merupakan salah satu medium yang dapat dialiri arus listrik. Aliran arus listrik dalam medium cair bergerak ke segala arah sesuai dengan keberadaan air tersebut. Dengan demikian, apabila terjadi aliran arus listrik dalam air akan sangat berbahaya.

  Menurut hukum Ohm, kemudahan aliran muatan listrik pada suatu penghantar ditentukan oleh dua faktor, yaitu hambatan (R) dari penghantar dan beda potensial (V) pada kedua ujungnya (Malvino, 1985; Alonso, 1994). Pernyataan hukum Ohm dapat dituliskan dalam sebuah persamaan sebagai berikut:

  (1) =

  Arus yang dihasilkan dari suatu sumber arus listrik dapat dibedakan menjadi dua macam yaitu arus searah (direct current/DC) dan arus bolak-balik (alternating current/AC). Arus DC merupakan arus yang mempunyai polaritas yang tetap setiap waktu. Arus AC merupakan arus listrik yang mempunyai polaritas yang selalu berubah setiap waktu (Ramdhani, 2008). Perubahan polaritas yang terjadi setiap waktu menyatakan frekuensi dari arus AC. Frekuensi arus AC akan mempengaruhi kontraksi pada otot. Hal ini yang menyebabkan arus AC jauh lebih berbahaya dibandingkan arus DC pada nilai tegangan yang sama. (Prasad, Sharma, & Sharma, 2010). Sengatan arus listrik AC dapat mengakibatkan kontraksi otot secara terus menerus selama aliran arus belum terputus. Hal ini menyebabkan korban mengalami kejang pada bagian organ-organ tubuhnya termasuk tangan dan kaki. Hal ini yang menyebabkan korban tidak mempunyai kemampuan untuk melepaskan diri dari sengatan arus listrik. Otot rangka merupakan jaringan yang membawa arus listrik paling besar karena otot rangka memiliki proporsi volum yang paling besar dibandingkan jaringan lainnya (Hannig, Lee, & Zhang, 2000).

  Pengaruh yang dapat terjadi akibat sengatan listrik adalah kerusakan organ atau jaringan tubuh. Tingkat kerusakan yang terjadi pada tubuh korban dipengaruhi oleh hambatan tubuh, tegangan dan arus listriknya. Hambatan tubuh dipengaruhi oleh tingkat kebasahan bagian luar tubuh. Hambatan tubuh yang basah atau berkeringat akan menurun sampai

   1000 . Penurunan hambatan tubuh akan memudahkan arus listrik masuk dalam tubuh. Semakin besar arus listrik yang masuk dalam tubuh akan semakin besar juga pengaruh yang terjadi. Pengaruh sengatan listrik pada tubuh manusia pada berbagai nilai arus seperti terlihat pada Tabel 1.

  

Tabel 1. Pengaruh sengatan listrik terhadap organ tubuh manusia dengan asumsi terjadi kontak

langsung dengan kulit (Prasad, Sharma, & Sharma, 2010).

  V (Volt) pada R tubuh I ( mA) Efek fisiologis 1000 Ω 100000 Ω

  1 batas ambang merasa geli

  1

  10 5 sensasi syok, tidak nyeri 5 500

  10-20 nyeri disertai kontraksi otot yang hebat dan kesulitan 10 1000 bernafas 100-300 fibrilasi ventrikel dan kelumpuhan pernafasan 100 10000 6000 fibrilasi ventrikel, kelumpuhan pernafasan, dan luka 6000 600000 bakar

  Kebocoran arus listrik dapat merambat melalui segala bentuk penghantar yang berhubungan dengan alat listrik. Pemanas air merupakan peralatan listrik yang berhubungan dengan air. Kebocoran arus listrik pada alat ini akan menyebabkan terjadinya aliran arus listrik dalam aliran air tersebut. Keberadaan arus listrik dalam air tidak dapat dilihat secara visual akan tetapi dapat dideteksi secara elektronik.

  Sesuai dengan hukum Kirchhoff, aliran arus listrik (I) hanya akan terjadi dalam loop tertutup. Dalam sebuah loop tertutup terdiri dari sumber tegangan dan hambatan yang terhubung sehingga menyebabkan terjadinya aliran arus listrik. Tubuh manusia merupakan salah satu penghantar sekaligus hambatan untuk membentuk loop tertutup.

METODE PENELITIAN

  Penelitian dilakukan dengan metode eksperimen di laboratorium. Kegiatan penelitian dilakukan dalam dua tahapan, yaitu pembuatan sensor kebocoran arus listrik dan pembuatan sistem kontrol pemanas air elektrik. Sensor digunakan untuk mendeteksi terjadinya kebocoran arus listrik dalam aliran air yang keluar dari water heater. Sistem kontrol digunakan untuk mematikan pemanas air elektrik secara otomatis apabila arus listrik bocor sudah melebihi batas ambang.

  Sinyal listrik yang terdeteksi oleh sensor dikarakterisasi untuk mendapatkan nilai arus dan tegangan pada berbagai nilai tegangan dan kondisi hambatan tubuh. Karakterisasi dilakukan terhadap variasi tegangan pada kondisi hambatan konstan dan variasi hambatan pada tegangan konstan. Variasi hambatan dilakukan mulai dari 1 sampai 100 K setiap 1 K. Variasi hambatan ini untuk menggantikan nilai hambatan tubuh manusia mulai dari keadaan kulit basah sampai kering. Hambatan kulit tubuh manusia berkisar dari 300 sampai 1000 ohm (Reddy and Reddy, 2013). Hasil karakterisasi diperoleh arus dan tegangan yang dapat digunakan untuk menentukan pengaruhnya terhadap kesehatan. Rancangan sensor seperti terlihat pada Gambar 1.

  Respon sensor terhadap kebocoran arus listrik berupa tegangan AC. Tegangan keluaran sensor digunakan sebagai pemicu pada rangkaian saklar elektronik. Tegangan keluaran sensor harus dikarakterisasi untuk mendapatkan tegangan dan arus minimum sebagai sinyal pemicu (trigger) saklar elektronik. Rangkaian saklar elektronik sebagai perangkat kontroler berfungsi untuk mengaktifkan sistem peringatan dan rangkaian otomatisasi. Rangkaian saklar elektronik menggunakan sebuah transistor seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.

  

Gambar 1. Rancangan sensor kebocoran arus listrik

  

Gambar 2. Rangkaian saklar elektronik sebagai sistem kontrol

HASIL DAN PEMBAHASAN

  Sensor kebocoran arus dibuat dari bahan pipa PVC dan elektroda tembaga. Sambungan pipa PVC berukuran ½ inch diberi lobang untuk memasukkan elektroda tembaga. Sambungan ini dapat langsung dipasang pada pipa aliran air yang keluar dari water heater. Elektroda yang terdapat didalamnya yang bertugas mendeteksi apabila terjadi kebocoran arus listrik dalam aliran air. Sementara hambatan uji sebagai pengganti hambatan tubuh manusia menggunakan hambatan tetap sebesar 1 K  sebanyak 100 buah. Rangkaian hambatan disusun dengan konfigurasi seri, sehingga hambatan totalnya sebesar 100 K

  . Tampilan sensor dan variasi hambatan seperti terlihat pada Gambar 3, sementara rangkaian sistem kontrol seperti pada Gambar 4.

  

Gambar 3. Sensor kebocoran arus listrik dan hambatan uji

  

Gambar 4. Sistem kontrol pemanas air elektrik

  Karakterisasi pertama dilakukan terhadap sensor adalah variasi tegangan kebocoran arus untuk hambatan konstan. Nilai hambatan ditetapkan sebesar 1 K , 10 K, 20 K, 50 K dan 100

  K . Tegangan divariasikan mulai 0 sampai 220 volt AC setiap 5 volt. Hasil pengukuran arus pada variasi tegangan seperti pada grafik Gambar 5. Menurut Prasad, 2010, sensasi syok tidak nyeri terjadi pada sengatan arus listrik sebesar 5 mA. Batasan efek sensasi syok tidak nyeri ditetapkan sebagai batas terendah. Hal ini dengan pertimbangan bahwa pada efek ini manusia masih dapat memberikan reaksi untuk menyelamatkan diri. Sementara efek yang lebih besar dari ini sudah mulai membahayakan bagi kondisi tubuh. Hasil analisis menunjukkan bahwa sensasi syok tidak nyeri terjadi pada tegangan AC yang berbeda untuk kondisi hambatan tubuh yang berbeda. Batas tegangan yang mulai memberikan sensasi syok tidak nyeri seperti terlihat pada Tabel 2.

  

Tabel 2. Efek syok tidak nyeri dari kebocoran arus listrik dalam air untuk kondisi hambatan tubuh

yang berbeda.

1 K

   10 K 20 K 30 K 50 K 100 K

  Arus listrik (mA) 5,16 5,08 4,95 4,90 4,34 2,35 AC

  Tegangan (V ) 30,00 75,00 120,00 165,00 220,00 220,00 _{35 40} ) ₃₀ A ^{1 K} (m ₂₅ k _{10 K} ri ₂₀ st li _{15 20 K} rus ₁₀ A ₅

_{50 100 150 200 250}

_{100 K 50 K 30 K}

  Tegangan listrik (V)

Gambar 5. Respon kebocoran arus listrik dalam air pada variasi tegangan Batas ambang yang dapat memberikan sensasi syok tidak nyeri adalah 5 mV. Nilai tegangan bocor yang memberikan arus listrik mendekati nilai batas ambang pada kondisi tubuh basah adalah 30 V dengan arus sebesar 5,16 mA. Nilai tegangan 30 V merupakan tegangan maksimum yang mulai memberikan pengaruh negatif. Dengan demikian maka sistem kontrol harus diatur agar aktif pada tegangan < 30 V. Pada penelitian ini, batas tegangan untuk mengaktifkan sistem kontrol ditetapkan sebesar 20 V. Nilai tegangan ini ditetapkan dengan asumsi apabila hambatan tubuh lebih rendah dari 1 K  masih aman.

  Pengujian akhir dilakukan terhadap sistem secara keseluruhan dengan memasang sebuah lampu sebagai pengganti pemanas air elektrik. Kondisi lampu menyala menunjukkan pemanas air nyala dan kondisi lampu mati juga menunjukkan pemanas air mati. Pengujian dilakukan dengan mengalirkan arus listrik yang dapat divariasi tegangannya dari 0 sampai 220 V. Berdasarkan hasil pengujian, sistem mulai aktif pada tegangan bocor 19,1 V.

  KESIMPULAN 1. ^{AC .}

  Sensor dapat merespon kebocoran arus listrik dalam air dari tegangan 5 hingga 220 V 2. Sistem pengaman dapat bekerja dengan cara mematikan lampu sebagai pengganti pemanas air pada tegangan bocor mulai 19,1 V.

UCAPAN TERIMA KASIH

  Peneliti mengucapkan terimakasih kepada : 1.

  LPPM Universitas Jenderal Soedirman yang sudah memfasilitasi dan memberikan dana penelitian melalui dana BLU Unsoed.

2. Laboratorium Elektronika Instrumentasi dan Geofisika Jurusan Fisika FMIPA Unsoed yang sudah memberikan fasilitas untuk pengujian sistem.

  Referensi

  All About Circuits. (2015). Physiological Effects of Electricity. Dipetik January 21, 2016, dari Bikson, M. (2004). A Review of Hazards Association with Exponsure to Low Voltage. New York: University Center of the City University of New York. Cekin, e. a. (2005). Childhood Deaths Due To Electrocution In Adana. Tohoku J. Exp. Med , 73-80 Hannig, J., Lee, R. C., & Zhang, D. (2000). Biophysical Injury Mechanisms In Electrical Shock Trauma. Annual Review Biomedical Engineering , 477-509. Malvino, A. P. (1985). Prinsip-Prinsip Elektronika Edisi Ketiga. Bandung: Penerbit Erlangga

  Prasad, D., Sharma, A. K., & Sharma, H. C. (2010). International Journal of Electrical and Power

  Engineering, Electric Shock and Human Body. India: National Institute of Technology Ramdhani, M. (2008). Rangkaian Listrik. Bandung: Erlangga.

  Reddy, G. N., & Reddy, G. J. (2013). Effects of Wireless Electricity on Human Bodies.

  

International Journal of Engineering Trends and Thechnology (IJETT) , 2567-2569.